نمونه سازی سریع از کاربردهای اصلی پرینت سه بعدی است. پرینت سه بعدی قطعات یکپارچه با ساخت لایه به لایه قطعات انجام می شود، این مسئله خواص ویژه ای به قطعه می دهد.در این بخش به بررسی مزایای اساسی و تفاوت های پرینت سه بعدی در نمونه سازی و ساخت محصول نهایی با تکنیک های ساخت سنتی می پردازیم.

تولید قطعات و نمونه سازی سریع با این روش مزایای زیادی نسبت به تولید سنتی دارد. تکنولوژی های پرینت سه بعدی متفاوتی وجود دارند اما در این بخش می خواهیم صنعت پرینت سه بعدی را به طور کلی با روش های تولید سنتی مقایسه کنیم و ویژگی های مثبت آن را در برابر ساخت به روش سنتی بررسی کنیم.

در حال حاضر بعید است پرینت سه بعدی جایگزین بیشتر روش های سنتی شود ولی در مقابل،  پرینت سه بعدی می تواند یک طرح را سریع، با دقت بالا و با متریال کاربردی بسازد. درواقع نمونه سازی سریع کاربرد اصلی پرینت سه بعدی است.

یکی از مزایای اصلی ساخت افزودنی سرعت بالای ساخت قطعه در برابر روش های ساخت سنتی است. طرح های پیچیده و مدل های سه بعدی آماده می توانند در عرض چند ساعت پرینت سه بعدی شده و ساخته شوند. این مسئله به پیشرفت و توسعه ایده های طراحی و نمونه سازی سرعت زیادی می بخشد.

پرینت سه بعدی در عرض چند ساعت نمونه دقیق قطعه را در دستان طراح قرار می دهد این پروسه در گذشته روزها و هفته ها می توانست به طول بینجامد.

تکنولوژی های صنعتی پرینت سه بعدی زمان بیشتری برای پرینت و پست پروسس نیاز دارند اما می توانند قطعاتی کاملا کاربردی در تیراژ کم تا متوسط تولید کنند. این نوع نمونه سازی چندین برابر سریعتر از روش های ساخت سنتی است برای نمونه برای ساخت قالب و تزریق پلاستیک یک قطعه کاربردی ساده حداقل چندین هفته زمان لازم است.

یک براکت یونیک ساخته شده با پرینتر سه بعدی SLS

یکی از دغدغه های اصلی یک طراح تولید قطعه و نمونه سازی با بهینه ترین شیوه ممکن است. در روش های سنتی مراحل تولید زیادی برای ساخت قطعات باید انجام شود. ترتیب این مراحل روی کیفیت و قابل ساخت بودن قطعه موثر است.

فرض کنید یک براکت فولادی خاص قرار است با روش های سنتی تولید ساخته شود. مثل ساخت افزودنی، این پروسه با یک مدل کامپیوتری CAD آغاز می شود. پس از اتمام طراحی، عملیات ساخت با برش پروفیل های فولادی آغاز می شود. سپس این پروفیل ها در جایگاه خود قرار گرفته و به ترتیب برای شکل گیری براکت به یکدیگر جوش داده می شوند. قرارگیری همه قطعات در جایگاه درست کار زمان بر و مشکلی است. سپس قسمت های جوش داده شده برای رسیدن به یک سطح مناسب پولیش می شوند. در مرحله بعدی حفره ها دریل می شوند تا براکت بتواند به دیوار نصب شود. در نهایت براکت سند بلست شده، پرایم و رنگ می شود تا ظاهر مناسبی پیدا کند.

ماشین های ساخت افزودنی ساخت را در یک مرحله انجام می دهند، در فاز ساخت نیاز به هیچ تعاملی میان اپراتور و ماشین نیست. به محض ساخت مدل سه بعدی، مدل می تواند به پرینتر سه بعدی داده شده و در یک مرحله و در عرض چند ساعت مدل ساخته می شود.

امکان ساخت یک مرحله ای قطعه وابستگی به پروسه های تولید مختلف مثل ماشینکاری، جوش و رنگ را از بین برده و به طراح امکان کنترل کامل محصول نهایی را می دهد.

نمونه سازی سریع در پروسه پرینت سه بعدی در مقایسه با تولید سنتی.

پروسه پرینت سه بعدی در مقایسه با تولید سنتی.

هزینه تولید می تواند به سه دسته تقسیم شود : هزینه های کارکرد دستگاه، هزینه مواد اولیه و هزینه نیروی انسانی.

هزینه های کارکرد دستگاه: بیشتر پرینترهای سه بعدی رومیزی نیرویی مشابه یک لپ تاپ برای کار لازم دارند. تکنولوژی های ساخت افزودنی صنعتی نیروی زیادی برای تولید یک قطعه نیاز دارند. با این حال امکان تولید تک مرحله ای هندسه های پیچیده موجب بهینه تر شدن و زمان ساخت پایین تر می شود. هزینه های کارکرد دستگاه کوچکترین بخش هزینه های تولید قطعه هستند.

هزینه مواد اولیه:  هزینه مواد اولیه برای ساخت افزودنی بسته به تکنولوژی می تواند شدیدا متفاوت باشد. پرینتر های FDM از فیلامنت های پلاستیکی استفاده می کنند که هر کیلوگرم آن به طور متوسط حدود ۲۵ دلار فروخته می شود در حالی که پرینتر های سه بعدی SLA با رزین هایی کار می کند که هر لیتر آن حدود ۱۵۰ دلار قیمت دارد. هر کیلوگرم  پودر نایلون که در SLS استفاده می شود حدود ۷۰ دلار فروخته می شود در حالی که پالت های نایلونی که در تزریق پلاستیک استفاده می شوند ۲ تا ۵ دلار قیمت دارند. هزینه مواد اولیه بزرگترین بخش هزینه ساخت و نمونه سازی در تکنولوژی های ساخت افزودنی را تشکیل می دهد.

هزینه نیروی انسانی:یکی از مزایای اساسی پرینت سه بعدی هزینه پایین نیروی انسانی است. به جز عملیات پست پروسس، بیشتر پرینتر های سه بعدی تنها نیاز به یک اپراتور دارند که بتواند یک دکمه را فشار دهد.ماشین به صورت اتوماتیک پروسه کامل را طی می کند تا قطعه ساخته شود. در مقابل تولید سنتی که برای ساخت نیاز به ماشینکارها و متخصصان حرفه ای دارد، هزینه نیروی انسانی برای ساخت با پرینتر سه بعدی نزدیک به صفر است.

ساخت افزودنی در تیراژهای پایین هزینه کاملا رقابتی ای در برابر روش های ساخت سنتی دارد. پرینت سه بعدی برای نمونه سازی ، ساخت نمونه های اولیه ای که برای تست فرم و فیت بودن قطعه استفاده می شوند بسیار به صرفه تر از روش های دیگر است و حتی برای تولید محصول نهایی با تیراژ پایین نیز استفاده از این تکنولوژی منطقی و به صرفه است.

روش های ساخت سنتی با بالا رفتن تیراژ به صرفه می شوند و برای تولید با تیراژ بالا استفاده از این روش ها همچنان منطقی است.

سفارش یک پروتوتایپ مشکل است ، وقت و هزینه زیادی از طراح را هدر می دهد.  حتی تغییرات کوچک در قالب و یا مرحله ساخت می تواند تاثیر قابل توجهی روی هزینه ها بگذارد. امکان تثبیت یک طراحی با نمونه سازی به روش پرینت سه بعدی یک پروتوتایپ آماده تولید پیش از سرمایه گذاری روی تولید انبوه، ریسک هدررفت هزینه های بالا در پروسه نمونه سازی را از بین می برد.

با نمونه سازی سریع ، طراح و سرمایه گذار اطمینان بالایی برای سرمایه گذاری برای تولید انبوه یک قطعه خواهند داشت.

بیشتر محدودیت هایی که در شیوه های تولید سنتی وجود دارند برای ساخت افزودنی وجود ندارند. از آنجایی که در نمونه سازی پرینت سه بعدی قطعات به صورت لایه به لایه ساخته می شوند نیازی به رعایت ملزوماتی مانند زاویه و امکان دسترسی ابزار در طراحی قطعات وجود ندارد.

گرچه در هنگام طراحی برای پرینت سه بعدی نکاتی مانند کمینه سایز فیچر ها و ضخامت ها را باید درنظر گرفت بیشتر محدودیت های پرینت سه بعدی با جهت قرار گیری قطعه و چند تکه کردن قطعه هنگام پرینت قابل حل است.

این مسئله به طراح آزادی زیادی برای طراحی و ساخت هندسه های بسیار پیچیده می دهد.  نمونه سازی سریع طراحی های پیچیده با بیشتر تکنولوژی های پرینت سه بعدی به راحتی انجام می شود.

 ساخت افزودنی علاوه بر آزادی در طراحی، امکان سفارشی سازی طرح ها را هم به خوبی فراهم می کند.  از آنجایی که تکنولوژی های پرینت سه بعدی حال حاضر قطعات را یک به یک می سازند، برای تولید سفارشی و ساخت محصولات شخصی سازی شده و یونیک بسیار مناسب هستند.

این مسئله توسط صنعت پزشکی و دندانپزشکی برای ساخت پروتزها، ایمپلنت ها و ابزار دندانپزشکی منحصر بفرد و سفارشی بسیار کاربرد دارد.  از محصولات ورزشی سطح بالا که کاملا ویژه بدن ورزشکار طراحی و ساخته می شوند گرفته تا عینک ها و اکسسوری های سفارشی، ساخت افزودنی با هزینه بسیار پایین و بسیار سریعتر از روش های دیگر می تواند  قطعات سفارشی را تولید کند.

هدفون های پرینت سه بعدی سفارشی که توسط Print+ طراحی شده است و به صورت محلی و سفارشی تولید می شوند.

حدود ۳۰ سال است که پرینت سه بعدی در دنیا وجود دارد، اما رشد اصلی آن از سال ۲۰۱۰ آغاز شده است. این رشد موجب وارد شدن تعداد زیادی پرینتر سه بعدی به صنعت شده و دسترسی طراحان به آنها را بسیار ساده کرده است.

در سال ۲۰۱۵ بیش از ۲۷۸۰۰۰ پرینتر سه بعدی با قیمت زیر ۵۰۰۰دلار در جهان فروخته شد. از آن زمان تعداد پرینترهای فروش رفته به طور پیوسته هر سال تقریبا دو برابر شده است. تکنولوژی ای که در چند سال پیش تنها در دسترس بخش کوچکی از صنت ساخت بود در حال حاضر در دسترس همه مردم است و صنعت های زیادی در حال تولید قطعات با هزینه رقابتی توسط این تکنولوژی هستند.

میزان فروش جهانی سالانه پرینترهای سه بعدی زیر ۵۰۰۰دلار

در شیوه های ساخت کاهشی مثل CNC بخش زیادی از بلوک اولیه کاسته شده و معمولا هدر می رود و به عنوان ضایعات دفع می شود. شیوه های ساخت افزودنی معمولا تنها از میزان متریالی که برای ساخت قطعه نیاز است استفاده می کنند. بیشتر این پروسه های ساخت از متریال هایی استفاده می کنند که قابل بازیافت و استفاده دوباره هستند.نمونه سازی سریع  با پروسه ساخت افزودنی ضایعات بسیار کمی تولید می کند.

اکسسوری های پرینت سه بعدی که به صورت سفارشی از متریال فیبر چوب بازیافتی ساخته شده اند.

بالا رفتن تعداد ماشین های ساخت افزودنی در جهان مسافتی که پروتوتایپ ها برای رسیدن به دست طراحان طی می کنند را بسیار کم کرده است. از آنجایی که استفاده از دستگاه های پرینت سه بعدی در نمونه سازی سریع به سادگی قابل فراگیری است، برای رسیدن به یک نمونه ساخته شده نیاز به ارسال مدل به یک متخصص ساخت نیست و طراح می تواند خود قطعه را به سادگی پرینت کرده و یا به یک سرویس دهنده در نزدیکی خود بفرستد.

همچنین تاثیرات زیست محیطی ساخت با پرینت سه بعدی بسیار کمتر از ساخت به روش های سنتی است، به همین دلیل نمونه سازی سریع و ساخت محصول با سرویس های ساخت پیشرفته پرینت سه بعدی در همه جای دنیا حتی در مکان هایی که قیمت زمین بالاست (مثل لندن و نیویورک) در حال توسعه هستند.

کم شدن نیاز به حمل و نقل و در کنار آن امکان پرینت سه بعدی و ساخت در محل قطعات یدکی، انتشار کربن در محیط زیست را به حداقل می رساند و نشان دهنده تاثیر مثبت پرینت سه بعدی روی محیط زیست است.
 منبع: 3DHUBS