تاریخچه پرینتر سه بعدی 

پرینتر سه‌ بعدی، یکی از نوآوری‌های دنیای تکنولوژی، توانسته است انقلابی در صنایع مختلف ایجاد کند. این فناوری با استفاده از فرآیندهای افزایشی، اجسام سه‌بعدی را به‌صورت لایه‌به‌لایه تولید می‌کند. از دهه ۱۹۸۰ که توسعه اولیه آن آغاز شد، پرینترهای سه‌بعدی به ابزاری اساسی در تولید، طراحی و پزشکی تبدیل شده‌اند.

برای درک بهتر این فناوری، بررسی تاریخچه پرینتر سه بعدی و مسیر رشد و تکامل آن می‌تواند بسیار مفید باشد.

در دهه ۱۹۸۰، تلاش‌های اولیه برای توسعه تکنولوژی پرینت سه‌بعدی آغاز شد. هیدئو کوداما، محقق ژاپنی، اولین نمونه‌های اولیه از این فناوری را با استفاده از رزین‌های حساس به نور ارائه داد. اما چارلز هال با اختراع و ثبت پتنت استریولیتوگرافی (SLA)، راه را برای تولید صنعتی این فناوری هموار کرد.

این دستگاه‌ها اول برای نمونه‌سازی سریع در صنایع بزرگ مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما به تدریج به دستگاه‌های کوچک‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تری تبدیل شدند که در دسترس عموم قرار گرفتند.

با گذشت زمان، تکنولوژی‌های دیگری مثل مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده (FDM) و سینترینگ لیزری انتخابی (SLS) هم توسعه یافتند. این فناوری‌ها به مرور تکامل یافتند و به انواع متنوع‌تری از پرینت سه‌بعدی منجر شدند که امروزه در صنایع متنوعی از تولید قطعات خودرو گرفته تا ساخت اعضای مصنوعی بدن به‌کار می‌روند.

این پیشرفت‌ها، دامنه کاربرد پرینتر سه‌بعدی را گسترش داده و تاثیرات عمیقی روی فرایندهای تولید و طراحی در سراسر جهان گذاشته است.

نقطه آغاز پرینترهای سه بعدی

پرینترهای سه‌بعدی با اختراع اولین ماشین نمونه‌سازی سریع در سال ۱۹۸۱ توسط دکتر هیدئو کوداما به واقعیت پیوستند. این ماشین به صورت لایه‌به‌لایه قطعاتی را ایجاد می‌کرد که از رزینی ساخته شده بود که با نور UV پلیمریزه می‌شد. این اختراع پایه‌گذار فناوری‌ای شد که امروز به‌عنوان پرینت سه‌بعدی می‌شناسیم و راه را برای توسعه‌های بعدی در این حوزه هموار کرد. تاریخچه پرینتر سه بعدی از این نقطه آغاز شد و با پیشرفت‌های بیشتری که در دهه‌های بعد رخ داد، این تکنولوژی به یک ابزار اساسی در صنایع تبدیل شد.

در سال ۱۹۸۶، چاک هال، اولین پتنت مربوط به فناوری استریولیتوگرافی (SLA) را ثبت کرد که یک پیشرفت بزرگ در مسیر پرینت سه‌بعدی به شمار می‌رفت. چاک هال هم به‌خاطر این پتنت و هم به دلیل ایجاد و تجاری‌سازی فرمت فایل .stl – که امروزه در پرینت سه‌بعدی استفاده می‌شود – به‌عنوان مخترع پرینت سه‌بعدی شناخته می‌شود. او همچنین شرکت 3D Systems Corporation را تأسیس کرد که اولین پرینتر تجاری SLA-1 را در سال ۱۹۸۹ عرضه کرد.

در سال ۱۹۸۸، کارل دکارد که دانشجویی در دانشگاه تگزاس بود، فناوری سینترینگ لیزری انتخابی (SLS) را معرفی کرد که از لیزر برای سینترکردن مواد پودری به ساختارهای جامد استفاده می‌کرد. بعد از آن، اسکات کرامپ در سال ۱۹۸۹ فناوری مدلسازی رسوب ذوب شده (FDM) را پتنت کرد و شرکت استراتاسیس را تاسیس کرد. این دو فناوری، به‌سرعت در صنعت پرینت سه‌بعدی مورد توجه قرار گرفتند و تا به امروز از مهم‌ترین تکنولوژی‌های مورد استفاده در این حوزه محسوب می‌شوند

1940s-1970s ایده های پیش از اختراع چاپگر سه بعدی

اگر بخواهیم به دوران ابتدایی ایده‌پردازی‌‌ها در تاریخچه پرینتر سه بعدی برگردیم، باید به دهه ۱۹۴۰ نگاهی بیندازیم. جالب است بدانید که پرینت سه بعدی، نه در یک آزمایشگاه بلکه در داستان‌های علمی‌تخیلی ظاهر شد.

در سال ۱۹۴۵، موری لینستر در داستان کوتاهی به نام «چیزهایی که عبور می‌کنند» یک دستگاهی را تصور کرد که شاید شما هم امروز با آن آشنا باشید؛ شبیه به پرینترهای سه‌بعدی که در حال حاضر وجود دارند. لینستر از دستگاهی نوشت که با استفاده از پلاستیک‌های مغناطرویک می‌توانست اشیا را از نقشه‌های اسکن‌شده بسازد، درست مثل آنچه که امروزه در CAM می‌بینیم. واژه magnetorheological در صنعت چاپ سه‌بعدی به موادی اشاره می‌کند که قابلیت تغییر حالت با اعمال مغناطیس را دارند و می‌توانند برای ساخت قطعات خاص و پیچیده استفاده شوند.

دهه ۱۹۵۰ هم از این ایده‌های خلاقانه بی‌بهره نماند. در سال ۱۹۵۰، ریموند اف. جونز در داستان «ابزارهای تجارت» که در مجله علمی‌تخیلی Astounding منتشر شد، ایده‌ای جالب را مطرح کرد؛ «اسپری مولکولی». او در این داستان از فناوری‌ای صحبت می‌کند که با استفاده از اسپری کردن مولکول‌ها می‌توانست اشیا را بسازد. این ایده‌ها، اگرچه در آن زمان تنها در داستان‌ها بودند، اما ریشه‌هایی بودند که بعدها باعث شکل‌گیری فناوری‌های واقعی شدند.

به دهه ۱۹۷۰ که می‌رسیم، می‌بینیم که این ایده‌ها کم‌کم از دنیای تخیل بیرون آمده و به سمت واقعیت حرکت کرده‌اند. یوهانس اف گوتوالد در این دهه، پتنتی برای دستگاهی به نام «ثبت مایع فلزی» ثبت کرد. این دستگاه که در سال ۱۹۷۱ پتنت آن به‌دست آمد؛ توصیفی از یک Inkjet پیوسته بود که با استفاده از پودر فلزی می‌توانست ساختارهای فلزی را تشکیل داده و دوباره ذوب کند. این نوآوری، شاید یکی از پیش‌زمینه‌های مهم برای فناوری‌های افزایشی امروز باشد، جایی که لایه‌های مواد یکی پس از دیگری اعمال می‌شوند تا اشیا سه‌بعدی را بسازند.

۱۹۸۰، ایده‌ها و اختراع‌های نافرجام

در دهه ۱۹۸۰، ایده‌ها و اختراع‌های اولیه در زمینه پرینت سه‌بعدی به واقعیت نزدیک شدند، هرچند بسیاری از آن‌ها به ثبت اختراع نرسیدند. یکی از نخستین نمونه‌ها در سال ۱۹۸۱، توسط هیدئو کوداما در ژاپن به‌وجود آمد. او تلاش می‌کرد تا سیستمی برای نمونه‌سازی سریع توسعه دهد و با استفاده از رزین حساس به نور که با نور UV پلیمریزه می‌شد، روشی لایه‌به‌لایه برای ساخت قطعات ایجاد کرد. اگرچه کوداما نتوانست پتنت مربوط به این فناوری را ثبت کند، اما اغلب به‌عنوان اولین مخترع این سیستم که نسخه ابتدایی ماشین‌های SLA امروزی است، شناخته می‌شود.

در همین دوران، سه محقق فرانسوی هم در تلاش بودند تا ماشینی برای نمونه‌سازی سریع ایجاد کنند. اما به جای استفاده از رزین، آن‌ها به دنبال سیستمی بودند که با استفاده از لیزر، مایعات مونومر را به جامد تبدیل کند. مشابه کوداما، این محققان هم نتوانستند پتنت فناوری خود را ثبت کنند، اما همچنان به‌عنوان کسانی که این سیستم را ابداع کرده‌اند، شناخته می‌شوند.

در همان سال، چارلز هال اولین پتنت برای استریولیتوگرافی (SLA) را ثبت کرد. هال که سازنده مبلمان در آمریکا بود و از دشواری در ایجاد قطعات کوچک سفارشی خسته شده بود، سیستمی برای ایجاد مدل‌های سه‌بعدی با استفاده از رزین حساس به نور و روش لایه‌به‌لایه ابداع کرد. او در سال ۱۹۸۶ درخواست ثبت پتنت خود را ارائه داد و در سال ۱۹۸۸ شرکت 3D Systems Corporation را تاسیس کرد که اولین پرینتر تجاری SLA-1 را عرضه کرد.

۱۹۸۴: اختراع استریولیتوگرافی

در سال ۱۹۸۴، چارلز (چاک) هال با اختراع استریولیتوگرافی (SLA) یک نقطه عطف بزرگ در تاریخ پرینت سه‌بعدی ایجاد کرد. این فناوری که اولین روش پرینت سه‌بعدی محسوب می‌شود؛ به کاربران این امکان را می‌داد که با استفاده از پخت لیزری رزین مایع، اشیا سه‌بعدی را از فایل‌های دیجیتال ایجاد کنند. هال که به دنبال راهی برای ساده‌تر کردن مسیر ساخت قطعات سفارشی بود، با ثبت پتنت این فناوری و تاسیس شرکت 3D Systems، اولین پرینتر تجاری SLA-1 را در سال ۱۹۸۷ به بازار عرضه کرد.

استریولیتوگرافی به‌سرعت توانست توجه شرکت‌های بزرگ را جلب کند و به یکی از اصلی‌ترین ابزارهای نمونه‌سازی سریع تبدیل شود. این فناوری در محیط‌های صنعتی مورد استفاده قرار گرفت و به مرور زمان به رسانه‌های عمومی هم راه پیدا کرد و آگاهی مردم را نسبت به پرینت سه‌بعدی افزایش داد. یکی از برجسته‌ترین کاربردهای اولیه این فناوری در تولید قالب‌های دندانپزشکی Invisalign بود که روزانه هزاران قالب سفارشی را با دقت بالا تولید می‌کرد.

با پیشرفت بیشتر در تکنولوژی و کاهش اندازه و هزینه ماشین‌های استریولیتوگرافی، این فناوری توانست از محیط‌های صنعتی به دسکتاپ‌ها منتقل شود. ظهور روش SLA معکوس، که به مخزن رزین کوچکتری نیاز داشت، امکان استفاده از این فناوری پیشرفته را برای کسب‌وکارهای کوچک‌تر فراهم کرد و بدین ترتیب استریولیتوگرافی به یکی از ابزارهای کلیدی در تولیدات رومیزی تبدیل شد.

آغاز کار چاپگرهای بایوپرینت (Bio 3D Print)

آغاز کار چاپگرهای بایوپرینت (Bio 3D Print) یک مرحله تحول‌آفرین در حوزه پزشکی و علم زیستی به‌شمار می‌آید. این فناوری به پزشکان و دانشمندان امکان می‌دهد که با استفاده از مواد زیستی، بافت‌ها و اعضای بدن را به‌صورت سه‌بعدی پرینت کنند. نخستین گام‌های جدی در این مسیر با تلاش‌هایی برای تولید بافت‌های ساده و ساختارهای اولیه آغاز شد که به‌مرور زمان به سوی پرینت اعضای پیچیده‌تر و کاربردهای درمانی پیشرفت کرد.

یکی از دستاوردهای مهم در این زمینه، تولید بافت‌های قابل‌پیوند با استفاده از سلول‌های زنده بود. این فناوری، که به نام بایوپرینتینگ شناخته می‌شود، می‌تواند به بازسازی اعضای آسیب‌دیده یا حتی ایجاد اندام‌های جدید برای بیماران نیازمند پیوند کمک کند. همچنین، این روش امکان آزمایش داروها و درمان‌های جدید را بدون نیاز به حیوانات آزمایشگاهی فراهم می‌کند.

با پیشرفت‌های بیشتر در این زمینه، چاپگرهای بایوپرینت به ابزاری اساسی در تحقیقات پزشکی تبدیل شده‌اند. این چاپگرها توانسته‌اند روش‌های جدیدی برای درمان بیماری‌های پیچیده ارائه دهند و چشم‌اندازهای تازه‌ای را در زمینه‌ی پزشکی بازسازی و درمان‌های فردی باز کنند. در حال حاضر، تحقیقات زیادی در حال انجام است تا بتوان این فناوری را به سطحی رساند که چاپ اعضای بدن به‌صورت کامل و قابل‌استفاده در عمل‌های جراحی معمولی، امکان‌پذیر شود.

تکنولوژی پرینت سه بعدی به سرعت در حال پیشرفت است و آینده‌ای روشن در انتظار آن است. با ظهور مواد جدید و روش‌های چاپ پیشرفته‌تر، می‌توان انتظار داشت که پرینت سه بعدی در آینده نقش پررنگ‌تری در زندگی روزمره ما ایفا کند.

سخن پایانی

در پایان باید گفت؛ تاریخچه پرینتر سه بعدی نشان‌دهنده مسیری پر از نوآوری‌ها و کشفیات است که این فناوری را از یک ایده علمی‌تخیلی به یکی از ابزارهای اساسی در صنایع مختلف تبدیل کرده است. از اولین تلاش‌های کوداما تا تجاری‌سازی موفق توسط چارلز هال، این فناوری به‌شکلی پایدار و گسترده رشد کرده و امروزه جایگاه ویژه‌ای در میان تکنولوژی‌های مدرن دارد. این مسیر توسعه، تاثیرات بزرگی در حوزه تولید و طراحی داشته و راه‌حل‌های نوینی را برای مشکلات پیچیده پزشکی و مهندسی فراهم کرده است.

با ادامه تحقیقات و پیشرفت‌های فناوری، انتظار می‌رود که پرینت سه‌بعدی همچنان به رشد خود ادامه دهد و در آینده‌ای نزدیک شاهد کاربردهای جدید و هیجان‌انگیزی از این فناوری باشیم. از ساخت خانه‌های پیش‌ساخته تا پرینت اندام‌های انسانی، آینده پرینت سه‌بعدی تنها محدود به تخیل ماست. همچنین، کاهش هزینه‌ها و افزایش دسترسی به این تکنولوژی، امکان استفاده از آن را برای افراد بیشتری فراهم کرده و به گسترش کاربردهای آن در زندگی روزمره کمک کرده است.

پرینتر سه‌بعدی نه تنها یک ابزار تولید است، بلکه یک فناوری تحول‌آفرین است که می‌تواند صنایع را متحول کند و به توسعه فناوری‌های جدید و بهبود کیفیت زندگی انسان‌ها کمک کند.

همان‌طور که در بخش قبلی اشاره شد، فناوری پرینت سه بعدی از زمان اختراع اولین دستگاه نمونه‌سازی سریع، تحولات شگرفی را تجربه کرده است. امروزه، انواع مختلفی از پرینترهای سه بعدی با تکنولوژی‌های متفاوت و کاربردهای متنوع در دسترس هستند. انواع پرینترهای سه بعدی به طور کلی بر اساس روش ساخت لایه‌ها و مواد مصرفی طبقه‌بندی می‌شوند.