چاپ سه بعدی صنعتی تا چه حد پایدار است؟

0
677

کاهش مصرف بنزین هواپیما به لطف چاپ سه بعدی

گروه پژوهش

چاپ سه بعدی یکی از فناوری‌های مهم و تاثیرگذار در توسعه تولیدات هوشمند و پایدار محسوب می‌شود. با اینکه چاپ سه بعدی در شمار فناوری‌هایی با ضایعات و تولید زباله کمتر به شمار می‌رود، اما این سوال هنوز مطرح است که چاپ سه بعدی واقعا تا چه حد پایدار است؟ آیا واقعا می‌توان آن را جزو صنایع دوستدار محیط زیست به حساب آورد؟

 

چاپ سه بعدی ؛ فناوری تولید پایدار
افزایش دغدغه‌های عمومی برای آینده‌ای سبز و پایدار، باعث شده که کسب و کارهای مختلف هم در تلاش برای بهینه سازی فرایندهای تولید خود، مصرف انرژی و تولید ضایعات خود را تا حد ممکن کاهش داده و به استراتژی‌هایی رو بیاورند که به اصطلاح پایدار نامیده می‌شوند.
چاپ سه بعدی به مهندسان و طراحان کمک می‌کند که با جست و جو و اکتشاف در دنیای هندسه و تحلیل فیزیکی اجسام، بتوانند قطعات را به بهینه‌ترین، سبک‌ترین و اثربخش‌ترین شکل ممکن طراحی و تولید کنند. مثلا در سیستم‌هایی که میزان مصرف انرژی، با وزن سیستم رابطه مستقیم دارد، با ساخت قطعات سبک‌تر، می‌توان در مصرف انرژی حتی در بازه‌های بلند مدت صرفه‌جویی کرد. با کم کردن حتی یک گرم از وزن قطعاتی که در ماشین‌ها و هواپیماها استفاده می‌شوند، مصرف سوخت به مقدار قابل توجهی کاهش میابد، کاهش مصرف سوخت یعنی کاهش حجم آلاینده‌های کربن دی اکسید و کاهش آلودگی اتمسفر.
*توضیح عکس اول: یک قطعه صنعتی که از لحاظ خواص هندسی اشیا با چاپ سه بعدی بهینه می‌شود، از نظر عملکرد هیچ تفاوتی با نسخه اورجینال خود ندارد.
مثال این مدعا را می‌توان در یکی از مطالعاتی که در دانشگاه نورث وسترن انجام گرفته، مشاهده کرد؛ محققان این دانشگاه با بهینه‌سازی خواص هندسی یک قطعه فلزی هواپیما با چاپ سه بعدی، موفق شدند که وزن آن را تا ۶۵ درصد کاهش دهند و از ۱.۰۹ کیلوگرم به ۰.۳۸ کیلوگرم برسانند.
محققان این دانشگاه ادعا می‌کنند که با بهینه سازی قطعات مختلف یک هواپیما به همین شکل، می‌توان وزن کلی آن را از ۴ تا ۷ درصد کاهش داد و به طبع آن، از مصرف انرژی تا ۶.۴ درصد کاست. این یعنی با کم کردن وزن صدها و حتی هزاران قطعه کوچک و ریز به کار رفته در یک هواپیما، می‌توان مصرف انرژی را به شکلی تاثیرگذار کاهش داد و مقیاس اثربخشی و صرفه جویی را در یک کالا چند برابر کرد.
در چاپ سه بعدی علاوه بر بهینه سازی خواص هندسی، می‌توان قطعاتی را که خود از چندین قطعه دیگر تشکیل شده اند، به شکل یک قطعه واحد و یکپارچه طراحی و تولید کرد. به این ویژگی چاپ سه بعدی، یکپارچه سازی قطعات می‌گویند که چندین مزیت فوق العاده دارد.
اولا، این کار تعداد قطعات مجزایی را که باید در طی فرایندهای مختلف ساخته و بعد با یکدیگر مونتاژ شوند، کاهش می‌دهد. ثانیا، اینکار فرایندهای اتصال این قطعات بهم، مانند جوشکاری یا پیچ و مهره قطعات را کاهش می‌دهد.
و در نهایت اینکه، یکپارچه سازی قطعات، هم عملکرد آنها را افزایش می‌دهد و هم به خاطر حذف درزها و خلل و فرج اضافی، مقاومت آنها را بیشتر می‌کند. کاهش تعداد قطعات مونتاژ شده همچنین باعث کاهش لرزش سیستم هنگام کار می‌شود که احتمال ایجاد شکاف و درزهای ناخواسته را کاهش می‌دهد. تمام مزیت‌هایی که در بالا گفته شد، به پایداری نهایی محصول و فرایندهای تولید آن کمک می‌کنند.
اصطلاح دیگری که به طور مستمر در کنار چاپ سه بعدی می‌آید، اصطلاح «ساخت افزایشی» ست. در واقع ساخت افزایشی و چاپ سه‌بعدی، دو عبارت برای یک مفهومند. ساخت افزایشی و یا چاپ سه بعدی، به روشی گفته می‌شود که در آن یک مدل کامپیوتری سه بعدی، به عنوان ورودی به پرینتر سه بعدی داده می‌شود و بعد پرینتر با قرار دادن لایه به لایه مواد بر روی هم، یک قطعه فیزیکی یکپارچه را به عنوان خروجی ارائه می‌دهد. امروزه بهترین مثال برای استفاده از فناوری ساخت افزایشی چاپ سه بعدی برای پایدار کردن فرایندهای تولید را می‌توان در کارخانه جنرال الکتریک و اقدام آنها برای ساخت موتورهای کاتالیست هواپیماها مشاهده کرد.
شرکت جنرال الکتریک در موتورهای کاتالیست خود، توانسته طراحی نوینی را ارائه دهد که در آن، یک موتور که در فرایندهای معمولی ساخت، از ۸۵۵ قطعه مختلف تشکیل می‌شود، می‌تواند تنها با ۱۲ قطعه تیتانیومی ساخته و توسط چاپگر سه بعدی، تولید شود. همچنین این موتور از نظر عملکرد، هیچ تفاوتی با نسخه‌های اورجینال خود ندارد. این قطعات جدید، به شکل بسیار قابل توجهی هم در وزن هواپیما و هم در کاهش میزان سوخت آن موثر هستند. جنرال الکتریک تخمین زده که با این کار، حدود ۵ درصد از وزن کلی هواپیما و ۱ درصد هم از حجم سوخت مصرفی کاسته می‌شود. نکته قابل توجه این است که تاثیر فوق العاده این مقدار صرفه جویی، زمانی که از این محصول در ساخت هواپیماهای بیشتری استفاده شود، چندین برابر می‌شود.

 

آیا چاپ سه بعدی از فناوری‌های سنتی انرژی کمتری مصرف می‌کند؟
جواب کوتاه برای این سوال این است: بستگی دارد که چاپ سه بعدی را با کدام فرایند تولید مقایسه کنیم. مثلا یک پرینتر سه بعدی در مقایسه با یک ماشین CNC، از نظر میزان صرفه جویی اقتصادی در زمینه تولید قطعات با حجم محدود، مزیت‌های بیشتری دارد.
به شکل خلاصه، ضایعات مواد در چاپ سه بعدی از این نظر کم است که در این فرایند، مقدار مواد اولیه مورد نیاز ساخت یک قطعه به مقدار دقیق تخمین زده می‌شود و بعد این مواد، در طی فرایند ساخت افزایشی، به شکل لایه لایه رو هم قرار داده می‌شوند و قطعه موردنظر را می‌سازند. به همین دلیل است که هیچ تراشه و پلیسه‌ای به عنوان دورریز از کار باقی نمی‌ماند.
اما فرایند تولید در ماشین‌های CNC کاهشی ست. این یعنی اینکه قطعه نهایی، از دل حجمی از مواد اولیه تراشیده می‌شود و بیرون می‌آید. مواد باقی مانده از این فرایند می‌تواند دورریز زیادی تولید کند که در بسیاری از موارد، از میزان حجم مواد استفاده شده در قطعه ساخته شده بیشتر است به عبارت دیگر، حجم دورریز در فرایندهای تولید کاهشی، اغلب از ۵۰ درصد هم بیشتر است. به همین علت است که استفاده از فرایندهای افزایشی تولید، این همه با استقبال رو به رو می‌شود.
فناوری دیگر که معمولا چاپ سه بعدی را با آن مقایسه می‌کنند، فرایند قالب‌گیری تزریقی است. فرایند قالب‌گیری تزریقی را به عنوان یک فرایند تولید با ضایعات نزیک به صفر می‌شناسیم. اما این فرایند هم در تولید قطعات با حجم محدود، فرایند پر مصرفی محسوب می‌شود. در صورتی که چاپ سه بعدی می‌تواند تعداد دقیق سفارشات را بدون هیچ تاثیری در میزان ضایعات مواد اولیه، به راحتی تولید کند.

ضایعات در چاپ سه بعدی چقدر است؟
واقعا نمی‌توان گفت که چاپ سه بعدی فرایندی بدون ضایعات است. در واقع دو منبع ضایعاتی در این فرایند وجود دارد: یکی ضایعات در قسمت پس از تولید و دومی، تولید قطعات مشکل دار که به اجبار به زباله تبدیل می‌شوند.
در ساخت هر قطعه سه بعدی، چند سازه حمایتی وجود دارد که بعد از تولید قطعه، دورریخته می‌شوند. اگرچه حجم این سازه‌ها خیلی زیاد نیست، اما بالاخره نوعی ضایعات مواد محسوب می‌شود.
مثلا در فرایند ذوب لیزری بر بستر پودر (PBF)، دور ریختن سازه‌های حمایتی، نزدیک به ده درصد ضایعات روی دست ما می‌گذارد، اما می‌توان با یک طراحی خوب با هدف به حداقل رساندن این سازه‌ها، ضایعات را به حدود ۲ درصد هم رساند.
یکی دیگر از منابع ضایعات در بخش پس از تولید، مربوط به پرداخت نهایی قطعه است؛ در مورد ساخت قطعات سه بعدی از جنس پلیمر، این ضایعات بسیار ناچیز است، اما هنگام ساخت قطعات فلزی، حجم این ضایعات قابل توجه است.
یکی دیگر از منابع ضایعات مواد در ساخت قطعات با چاپ سه بعدی، مربوط به قطعات چاپ شده مشکل دار و بی‌مصرف است. ساخت قطعات مشکل دار از این مساله ناشی می‌شود که طراحان هنوز نمی‌دانند بهترین مدل طراحی بهینه برای فرایند تولید افزایشی (که با روش‌های سنتی متفاوت است) چیست. موضوع دیگر هم این ست که بدون آزمون و خطا از طریق ساخت نمونه‌های مختلف از یک قطعه، قطعه نهایی با اثربخشی مورد نظر به دست نمی‌آید.
امروزه برای جلوگیری از ضایعات بی مورد در این بخش، از نرم‌افزارهای شبیه سازی استفاده می‌شود. این نرم افزارها، نحوه رفتار یک قطعه هنگام ساخت را برای مهندسان و طراحان پیش نمایش می‌دهد. با استفاده از این نرم افزار می‌توان خطاهای احتمالی هنگام ساخت یک قطعه را پیش بینی کرد و از ضایعات مواد تا مقدار زیادی جلوگیری کرد.
در نهایت می‌توان گفت که پرینترهای سه بعدی در مقایسه با ماشین‌های CNC و فرایندهای قالب‌گیری تزریقی، کم مصرف‌تر هستند. بیشتر حجم ضایعات در این فرایند هم با طراحی بهینه و آماده سازی مناسب مراحل ساخت، تا حد زیادی قابل پیشگیری است.
با بهینه سازی سازه‌های حمایتی در حین چاپ و جلوگیری از ساخت قطعات مشکل دار با نرم افزارهای شبیه سازی، می‌توان تا حد زیادی جلوی ضایعات چاپ سه بعدی را گرفت.

 

مدیریت ضایعات چاپ سه بعدی
یکی دیگر از جنبه‌های پایداری در زمینه چاپ سه بعدی، بازیافت و استفاده دوباره از قطعات و مواد در فرایند چاپ است. بازیافت در صنعت چاپ سه بعدی از این جنبه دارای اهمیت است که اولا قطعات و مواد اولیه مورد استفاده در چاپ سه بعدی گران هستند و ثانیا، این گمان غلط وجود دارد که وقتی فلزات به شکل پودر درمی‌آیند، دیگر نمی‌شود از آنها استفاده مجدد کرد.
در فرایند ذوب لیزری بر بستر پودر فلزات (PBF)، مقدار پودر فلزاتی که از فرایند قبلی باقی مانده را می‌توان دوباره جمع آوری کرد و بعد با نسبتی مشخص با پودر تازه و دست اول مخلوط کرد. البته اغلب شرکت‌ها نسبت به این کار بدگمان هستند و پودر باقی مانده را دور می‌ریزند.
تحقیقات معتبر هم نشان می‌دهد که بازیافت و استفاده دوباره از پودر فلزات، نه تنها در فرایندهای مکانیکی چاپ سه بعدی اختلال ایجاد نمی‌کند، بلکه باعث می‌شود که فرایند چاپ سه بعدی صرفه جویانه‌تر و اثربخش‌تر باشد.
در کنار این روش بازیافت، بسیاری از کمپانی‌ها هم به دنبال این هستند که قطعات فلزی اوراقی را به پودر تبدیل کرده و از آن برای استفاده در چاپ سه بعدی استفاده کنند.
علاوه بر بازیافت فلزات، امروزه بیشتر حجم پلاستیک مصرفی در چاپ سه بعدی هم از پلاستیک‌های بازیافتی تامین می‌شود. کمپانی‌های بزرگ و معتبری مانند GreenGate3D، Filamentive ، NefilaTek، Refil و Replay3D در فرایندهای خود، از نسبت‌های معقولی از فیلامنت‌های بازیافتی استفاده می‌کنند.
در نهایت اینکه، نمی‌توان گفت فناوری چاپ سه بعدی یک فرایند تولید کاملا سبز است. اما می‌توان با اطمینان گفت که با بکارگیری استراتژی‌های مناسب، این فناوری می‌تواند به یکی از اثربخش‌ترین و امیدوارکننده‌ترین روش‌های تولید پایدار تبدیل شود.

 

ارسال نظرات

پیامتان راوارد نمایدد
لطفا نامتان را اینجا وارد نمایید