چاپ سه بعدی آوردگاه فناوری، پژوهش و نوآوری امید به پژوهشگران ایرانی
گفت وگوی صنعت چاپ با مدیر گروه نساجی دانشگاه صنعتی اصفهان
دکتر حسین حسنی
استادیار دانشکده مهندسی نساجی و عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان
مدرک کارشناسی و کارشناسی ارشد خود را در زمینه مهندسی تکنولوژی نساجی از دانشگاه صنعتی امیر کبیر دریافت کردم. از پروژه کارشناسی خود در زمینه ساخت دستگاه ارزیابی تشکیل پرزدانه در پارچه‌ها در سال ۱۳۷۴ دفاع کردم. دفاعیه پروژه کارشناسی ارشدم با راهنمایی آقای دکتر سعید شیخ زاده نجار تحت عنوان “ارزیابی نحوه قرار گیری الیاف در سطح مقطع نخ مخلوط با استفاده از آنالیز کامپیوتری” در سال ۱۳۷۷ انجام گرفت. سپس به مدت چهار سال به عنوان مدیرگروه فرش در دانشگاه جامع و همزمان به عنوان استاد مدعو در گروه نساجی دانشگاه آزاد اراک مشغول به کار شدم. سپس برای اخذ مدرک دکترا به دانشگاه اشتوتگارت آلمان رفتم و موفق به اخذ مدرک مذکور در سال ۱۳۸۶ شدم. در حال حاضر نیز عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان هستم.
سابقه کار روی پرینتر سه‌بعدی در دانشگاه صنعتی اصفهان را در چند جمله بفرمایید.
ورود به عرصه پژوهش بر روی چاپگرهای سه بعدی و قابلیت آن‌ها در چاپ قطعات سه بعدی با تعریف یک پروژه در مقطع کارشناسی ارشد در سال ۱۳۹۴ در زمینه طراحی و ساخت چاپگر سه بعدی لایه‌نشان مذاب پلیمری با قابلیت تولید کامپوزیت‌های الیافی آغاز شد و تا کنون با تعریف پروژههای مختلف ادامه داشته است.
دانشکده نساجی روی چه نوع طرح‌ها و پروژه‌هایی کار می‌کند؟ دانشکده‌های دیگر هم درگیر این صنعت هستند؟ چه نوع کارهایی؟
هدف از طراحی و ساخت چاپگر مذکور، تولید قطعات با استحکام بالا از کامپوزیت‌های ترموپلاست تقویت شده با الیاف با کارایی بالا مانند الیاف شیشه، کربن و کولار بوده است. لذا تحقیقات انجام شده عمدتاً به کاربرد این کامپوزیتها در حوزه پزشکی، و نیز قطعات صنعتی و نظامی متمرکز بوده است. علاوه بر این بر اساس رسالت دانشکده نساجی دانشگاه صنعتی اصفهان بخشی از این تحقیقات در حوزه مد و پوشاک نیز تعریف شده است. در دانشکده مکانیک این دانشگاه نیز چاپگرهایی در زمینه تولید قطعات فلزی و همچنین پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
دانشجویان در چه مقطعی درگیر تحقیقات چاپ سه‌بعدی می‌شوند، مثلا اکنون روی چه چیزهایی کار می‌کنند؟
در دانشکده مکانیک درسی در مقطع تحصیلات تکمیلی در خصوص چاپگرهای سه بعدی تعریف شده است. بنابراین از بعد آموزشی دانشجویان در مقطع کارشناسی ارشد یا دکتری با این تحقیقات درگیر می‌شوند. از بعد پژوهشی ممکن است تحقیقاتی حتی در مقطع کارشناسی به عنوان پژوه پایان تحصیلات تعریف و انجام شود. با این حال پژوهش‌های عمیق‌تر در مقطع کارشناسی ارشد و دکتری تعریف می‌شود.
در حال حاضر دانشجویان مقطع کارشناسی ارشد و دکتری بر روی طراحی و ساخت قطعات صنعتی سه بعدی با استحکام بالا کار می‌کنند.
از نظر سطح فناوری این صنعت در کشور ما در چه حدی است؟
فناوری چاپگرهای سه بعدی در زمره تحولات انقلاب صنعتی چهارم قرار می‌گیرد. ایران نیز از جمله کشورهایی است که در این زمینه بطور فعال ورودکرده است. با این حال ورود به این عرصه در کشور ما به دلایل مختلف با تاخیر مواجه بوده است. در ابتدا، چاپگرهای سه بعدی به کشور وارد می‌شد و برای تولید قطعات مختلف مورد استفاده قرار می‌گرفت. با توسعه این فناوری و تسلط علمی در این زمینه، خوشبختانه تقریباً همه انواع چاپگرهای سه بعدی در کشور طراحی و ساخته شده و در حوزه‌های مختلف مانند تولید پروتزها، بافت استخوانی، مهندسی بافت نظیر تولید داربست‌های سلولی، چاپ ایمپلنت برای استخوان‌های معیوب و تولید انواع قطعات صنعتی با کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته است.
در مورد انواع دستگاه‌های چاپگر سه‌بعدی و روش کار آن توضیح دهید.
چاپ سه‌بعدی در دهه ۸۰ میلادی با پیشرفت در فناوری‌های طراحی رایانه‌ای، به وجود آمد. این فناوری که فرایند ساخت افزایشی نیز نامیده می‌شود، بر اساس تعریف استاندارد کشور آمریکا، فرایندی است که در آن با اتصال لایه به لایه مواد، طبق یک مدل سه‌بعدی، جسمی ایجاد می‌شود که تولید آن دقیقاً در وجه مقابل روش ساخت کاهشی (تراشکاری، فرزکاری، ریخته‌گری و غیره) قرار دارد. این فناوری با حذف مراحل میانی بین طرح رایانه‌ای نمونه و تولید نمونه فیزیکی سه‌بعدی و عدم نیاز به قالب امکان تولید قطعات سه‌بعدی پیچیده که با روشهای سنتی تولید آن‌ها غیرممکن یا پیچیده بود، فراهم کرد. انواع چاپگرهای سه بعدی از نقطه نظر فناوری بکار رفته عبارتند از:
الف) چاپگرهای سه‌بعدی با فناوری جامدسازی مواد مایع
تمام چاپگرهای سه‌بعدی این گروه بر اساس تبدیل ماده مایع به جامد در هنگام قرارگیری در مواجهه با تابش نور فرابنفش طراحی‌شده‌اند. در این فرایند چاپ سه‌بعدی، ماده اولیه معمولاً مونومری از جنس اکریلات، اپوکسی یا وینیل است که دارای پیوندهای جانبی نیست یا تعداد پیوندهای جانبی آن کم است. مونومرهای انتخاب‌شده برای این فرایند زمانی که تحت تابش نور فرابنفش قرار گیرند دچار بسپارش نوری می‌شوند و پلیمر جامد ایجاد می‌شود. مهم‌ترین چاپگرهای این دسته عبارت‌اند از؛
– چاپگر سه‌بعدی استریولیتوگرافی ؛
– چاپگر سه‌بعدی با فناوری پردازش دیجیتال نور.
ب) چاپگرهای سه‌بعدی با ذرات گسسته
در این دسته از چاپگرهای سه‌بعدی ماده اولیه مورداستفاده ذرات گسسته -پودر- که دانه‌بندی آن‌ها معمولاً دارای توزیع نرمال است و اندازه و شکل تقریباً یکسانی دارند، است. هرچه ذرات کوچک‌تر باشند دقت چاپ بالاتر است اما ذرات خیلی ریز نیز ممکن است به دلیل عدم کنترل بر توزیع و مخلوط آن‌ها ایجاد مشکل کنند. اساس کار این دسته از چاپگرهای سه‌بعدی اتصال ذرات پودر در نقاطی است که قطعه نهایی را تشکیل می‌دهند. عمل اتصال با دو روش کلی، ذوب کردن پودر و استفاده از مواد پیونددهنده برای ایجاد اتصال بین ذرات در نقاط مشخص انجام می‌گیرد. چاپگرهای مختلف این فناوری چاپ سه عبارت‌اند از؛
– چاپگر سه‌بعدی با فناوری پیوندده‌پرانی ؛
– چاپگر سه‌بعدی با فناوری تف‌جوشی لیزری انتخابی ؛
– چاپگر سه‌بعدی با فناوری ذوب با پرتو الکترونی.
ج) چاپگرهای سه‌بعدی با فناوری لایه‌گذاری مواد
یکی از جدیدترین روشهای چاپ سه‌بعدی ساخت اجسام با لایه‌گذاری است. این فناوری با استفاده از لیزر یا تیغه‌های خاص و برش مقطع‌های مدل سه‌بعدی از یک صفحه که به‌صورت رول موجود است و سپس روی‌هم گذاشتن لایه‌های بریده‌شده، جسم سه‌بعدی را تولید می‌کند. لایه‌ها با رزینی که توسط حرارت فعال می‌شود و در یک روی رول اولیه پوشش دهی شده است به یکدیگر متصل می‌شوند.
د) چاپگرهای سه‌بعدی با فناوری لایه نشانی مواد
این دسته از چاپگرهای سه‌بعدی در حال حاضر رایج‌ترین چاپگرهای سه‌بعدی در مصارف صنعتی و تحقیقاتی هستند. اساس کار آن‌ها خروج ماده اولیه مایع از نازل اکسترودر و جامد شدن آن تحت عوامل مختلف همچون استفاده از عامل عمل آورنده، حلال، واکنش با هوا و یا به شکل ساده از دست دادن گرما و جامد شدن است. مهم‌ترین زیرمجموعه این دسته از چاپگرهای سه‌بعدی، چاپگرهای سه‌بعدی‌ای هستند که با ذوب پلیمر در حرارت بالا عملیات لایه‌نشانی را انجام می‌دهند. مهم‌ترین چاپگرهای سه‌بعدی با فناوری لایه نشانی مواد عبارت‌اند از؛
– چاپگر سه‌بعدی با فناوری لایه‌نشانی رشته‌های مذاب ؛
– چاپگر سه‌بعدی با فناوری زیست چاپ؛
– چاپگر سه‌بعدی با فناوری لایه‌نشانی خمیری ؛
– چاپگر سه‌بعدی با فناوری لایه‌نشانی مستقیم فلزات؛
– چاپگر سه‌بعدی با فناوری چاپ سرامیک.
ویژگی دستگاهی که در دانشکده نساجی ساخته‌اید، چیست؟ ( توضیح FDM)
چاپگر سه‌بعدی PRINTEX موجود در آزمایشگاه ساخت افزایشی دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی اصفهان از فناوری لایه نشانی رشته مذاب پلیمری استفاده می‌کند و دارای ویژگی‌های زیر است:
✔ لایه‌نشانی رشته پلیمری گرمانرم مجهز به تغذیه همزمان الیاف و پلیمر؛
✔ این چاپگر مجهز به دو نازل است که امکان تغذیه همزمان دو نوع پلیمر و یا تغذیه پلیمر و پلیمر همراه با الیاف با کارایی بالا را امکان پذیر می‌سازد.
✔ حداکثر ابعاد چاپ قطعه: ۵۰×۵۰×۷۰ سانتی‌متر؛
✔ تنظیم سطح خودکار با استفاده از حسگرهای نوری و مکانیکی؛
✔ صفحه گرم با بیشینه دمای ۱۱۰درجه کمک به اتصال محکم لایه‌های پلیمری؛
✔ نمایشگر لمسی، مجهز به درگاه USB؛
✔ کلید توقف اضطراری همراه با میکروسوییچ‌های محدودکننده؛
✔ دقت حرکت X و Y : 0005/0 میلی‌متر؛
✔ دقت حرکت Z : 0003/0 میلی‌متر؛
✔سرعت چاپ برای پلیمر: ۳ تا ۱۰۰ میلی‌متر بر ثانیه؛
✔ سرعت چاپ برای نمونه کامپوزیتی: ۳ – ۲۰ میلی‌متر بر ثانیه.
✔ قابلیت تبدیل سریع به مکانیزم تغذیه مواد گرما سخت.
زمینه‌های فعالیت شما کدامند؟ لطفا در هر شاخه، محصولات را نیز نام ببرید.
در دانشکده مهندسی نساجی با استفاده از چاپگر سه بعدی، تحقیقاتی در حوزه زیر صورت گرفته است:
۱) پزشکی شامل تولید پروتز زیر زانو (سوکت) و اورتزهای دست برای جایگزینی به جای گچ شکسته بندی معمول و نیز صفحات نگهدارنده شکستگی استخوان.
۲) قطعات صنعتی نظیر کامپوزیت‌های سه بعدی با کاربردهای صنعتی مانند دیوارهای غیرباربردار و یا قطعات مورد استفاده در تجهیزات نظامی نظیر پهباد.
۳) طراحی و تولید پارچه‌های حلقوی برای کاربرد در حوزه مد و پوشاک.
۴) طراحی و تولید چاپگرهای سه بعدی با تغذیه گرانولی جهت تولید کامپوزیت‌های الیافی.
کدام کاربردها هنوز در ایران معمول نشده است، چرا؟
در حال حاضر شاهد رشد روزافزون کارگاه‌های کوچک برای تولید قطعات صنعتی و یا مصنوعات هنری در داخل کشور هستیم.
امروزه در کشورهای پیشرفته از چاپگرهای سه بعدی در صنایع ساختمان‌سازی استفاده می‌شود. اما به نظر می‌رسد در کشور هنوز در این حوزه تحقیقات چندانی صورت نگرفته است. همچنین هنوز شاهد استفاده گسترده از این فناوری در صنعت تجهیزات پزشکی، خودروسازی و صنایع نظامی کشور نیستیم.
آینده این صنعت را در جهان و در ایران چگونه می‌بینید؟
در کشورهای پیشرفته شواهد زیادی در مورد ورود این فناوری به صنایع مختلف رویت می‌شود که نشان دهنده فراگیر شدن کاربرد این فناوری در تمامی صنایع است. در این کشورها، هر روز بر تعداد تولید کنندگان چاپگرهای سه بعدی با فناوری‌های مختلف افزوده می‌شود که همین امر باعث کاهش قیمت تمام شده، بهبود کیفی قطعات تولید شده توسط این چاپگرها و همچنین افزایش تنوع مواد اولیه مورد استفاده می‌گردد. رشد بسیار زیاد کاربران چاپگرهای سه بعدی در صنایع مختلف نشان دهنده کاربری بسیار زیاد این دستگاه ها در صنایع مختلف است. صنایعی که در سطح جهان از فناوری چاپ سه بعدی برای بهبود عملکرد خود استفاده کرده و یا در آینده نزدیک استفاده خواهند کرد عبارتند از: مد و پوشاک، صنایع نظامی، صنایع عمرانی، صنایع داروسازی، پزشکی و دندانپزشکی و نیز خودرو سازی.
همانگونه که قبلا اشاره شد متاسفانه، این فناوری با تاخیر وارد ایران شده است و به همین دلیل، اغلب صنایع در ایران هنوز از این فناوری به عنوان روشی جایگزین برای تولید قطعات به روش سنتی به درستی استفاده نکرده‌اند. تولید برخی از تجهیزات و قطعات که در کشورهای پیشرفته با استفاده از چاپگرهای سه بعدی بسیار معمول است در کشور ما متاسفانه شناخته شده نیست. بدیهی است که گسترش این فناوری نیازمند فرهنگ سازی و آموزش است. این فناوری می‌تواند با حذف بسیاری از مراحل تولید پرهزینه نظیر قالب سازی و با ارائه مزیت سفارشی سازی به طور موثری جایگزین روشهای تولید سنتی در ساخت قطعات پیچیده گردد.
همچنین با ورود شرکتهای ایرانی به عرصه طراحی و ساخت انواع چاپگرهای سه بعدی، خوشبختانه قیمت این چاپگرها که قبلا از طریق واردات تامین می‌شدند، تا حدودی کاهش یافته است که این مسأله زمینه اشاعه فرهنگ استفاده از این فناوری در عرصه‌های مختلف را سهل و آسان می‌سازد.
یکی از مشکلات سد راه استفاده از این فناوری در صنایع مختلف، نیاز به دانش علمی بالا در زمینه طراحی سه بعدی قطعات و کار با نرم‌افزارهای پیشرفته مورد استفاده در چاپگرهای سه بعدی است. همچنین کار با چاپگرهای سه بعدی نیازمند تجربه بالا در تنظیم این چاپگرها برای تولید بهینه و با کیفیت محصولات است. لذا به نظر می‌رسد برای گسترش استفاده از فناوری چاپگرهای سه بعدی درصنایع مختلف در ایران، باید به تربیت و آماده سازی افراد جهت ورود به بازار کار در دانشگاه‌ها و مراکز آموزشی و ایجاد مهارت در این حوزه اقدام نمود. در مجموع آینده استفاده از فناوری در کشور به دلیل قابلیتهای بالای چاپگرهای سه بعدی و امکان استفاده وسیع از آن در بسیاری از صنایع بسیار روشن است و پیش بینی می‌شود در آینده نزدیک شاهد شکوفایی این صنعت و کاربرد آن در عرصه‌های مختلف باشیم.
شرکتها و کارخانه‌ها در پروژههای تحقیقاتی چاپ سه‌بعدی سرمایه‌گذاری می‌کنند؟ (مثلا برای چه کارهایی؟)
همانگونه که گفته شد، استفاده از چاپگرهای سه بعدی در کشور در ابتدای مسیر پیشرفت قرار گرفته است. با آشنایی تدریجی صنایع مختلف با قابلیتهای چاپگرهای سه بعدی، شرکتها به استفاده از این فناوری برای جایگزینی این روش با روشهای سنتی تولید محصول روی خواهند آورد.
آیا جوانان برای اشتغال می‌توانند به چاپ سه‌بعدی فکر کنند؟
امروزه تعدادی از شرکتها در زمینه طراحی و تولید چاپگرهای سه بعدی و نیز تولید قطعات سه بعدی با استفاده از این چاپگرها فعال هستند. همچنین شاهد رشد روز افزون کارگاه‌های کوچک برای تولید قطعات صنعتی، مصنوعات هنری و یا قطعات غیرصنعتی هستیم. با این حال به دلیل اینکه این صنعت در کشور، بسیار جوان است، زمینه‌های بکری در حوزه‌های مختلف برای ورود افراد آموزش دیده وجود دارد. علاوه بر این، امکان ورود به حوزه تامین مواد اولیه (تولید فیلامنتهای چاپ سه بعدی ) برای چاپگرها و توسعه فناوری آن‌ها نیز وجود دارد.
بازار چاپ سه‌بعدی و زنجیره تأمین آن (از نظر مواد مصرفی، ماشین‌آلات، ملزومات وارداتی، دانش فنی، سفارش‌دهندگان، مجریان و…) در ایران چگونه است؟ چه جایگاهی در اقتصاد و صنعت دارد و روند آن را چگونه می‌بینید؟
از نظر مواد مصرفی متاسفانه بسیاری از مواد هنوز وارداتی هستند. در این زمینه دانش کافی و ماشین-آلات برای تولید فیلامنتهای پلیمری مورد استفاده در چاپگرهای سه بعدی در داخل کشور وجود دارد ولی کمتر شرکتی در این زمینه ورود کرده است. همانگونه که قبلا اشاره است شرکتهای مختلفی در زمینه طراحی و ساخت چاپگرهای سه بعدی با فناوری های مختلف در ایران فعال هستند و مشکلی از لحاظ دانش فنی و فناوری طراحی و ساخت وجود ندارد. همچنین ورود به این صنعت مستلزم آموزش افراد متخصص است که به نظر می‌رسد در این زمینه دانشگاه‌ها و مراکز آموزش عالی فعال شده اند. با معرفی بیشتر این فناوری و گسترش استفاده از آن، در آینده این فناوری نقش پر رنگ‌تری را در اقتصاد کشور ایفا خواهد نمود.
