چاپ سه بعدی یکی از انقلابی ترین فناوریهای دوران مدرنیته صنعت محسوب می شود. اما چیزی که اغلب مردم نمیدانند این است که 3D Printing یک تکنولوژی جدید قرن 21 نیست؛ در واقع، ثبت اختراع این فناوری و فروش تجاری آن در دهه 80 میلادی سده بیستم انجام شده است و حتی تاریخ غیر رسمی قدیمیتری تا اواخر قرن نوزدهم میلادی نیز میتوان برایش در نظر گرفت.
آیا میدانید کدام زنان و مردان این نوآوری های باورنکردنی را در اختیار ما گذاشتند؟ احتمالاً آنها می دانستند که چه انقلابی راه انداخته اند؛ اما شاید نمی دانستند که این تحول و دگرگونی چقدر زود به بار خواهد نشست. امروز، شما را به سفری در گذشته دعوت می کنیم تا این افراد را بهتر بشناسید و بدانید هنگام ایجاد آنچه ما امروزه تولید افزایشی یا AM میخوانیم، در چه حال و هوایی بودند. بیایید تاریخچۀ چاپ سه بعدی را کشف کنیم.
فناوری پرینت سه بعدی در حوزه فلسفی و تئوریک حدود 100 سال و در حوزه تکنیک عملی بیش از 40 سال قدمت دارد؛ پس آیا باید جدید بنظر برسد؟ باور کنید یا نه، تاریخچه چاپ سه بعدی: قدیمیتر از آن چیزی است که فکر می کنید!
سده نوزدهم: گامهای بسیار ابتدایی
1880: چاپ سه بعدی به طور رسمی تا اواخر قرن بیستم شروع به کار نکرده بود، اما برخی ایده های آن مربوط به دهه های قبلتر است.
اولین مفهوم چاپ سه بعدی در سال 1860 پدیدار شد، زمانی که عکاس پاریسی، فرانس ویلِم Françios Willéme، از عکاسی و تکنولوژی ابتدایی آن زمان برای ساخت پرتره های سه بعدی و سپس مجسمه از این پرتره ها استفاده کرد. ابتکار او موجب ایجاد این باور شد که «مجموع بُرش‌‌ها برابر است با حجمِ کلِ شکل.» ویلِم اختراع خود را «مجسمه سازی مکانیکی» خواند، زیرا با استفاده از مجموعه ای فریم عکس و دستگاه پانتوگراف و کمی کارِ دستی می توانست مجسمه سازی کند. برخلاف مجسمه های سنتی، نوآوری ویلم موجب میشد در محدوده زمانی 48 ساعت نیم تنه‌ای زیبا و دقیق بسازد، در حالی که شیوه های سنتی به ماه ها زمان نیاز داشت.
تکنولوژی ویلم با گذشت زمان تغییر کرد و بهبود یافت، اما اولین تکنیک او، یعنی مجسمه سازی مکانیکی، امکان تولید نمونه های اولیۀ فوری و ارزان از لایه های چوب را فراهم آورد. میشد که این نمونه های اولیه را بعداً به صورت قالب درآورد. تکنیک او شباهت زیادی به فرایند چاپ سه بعدی امروزی دارد.
در روش ویلم: روند کار با عکاسی سوژه آغاز می شود. رابرت سوبیزِک Robert Sobieszek این فرایند پیچیده را به شکلی گویا توصیف می کند:
«ابتدا سوژه، که می تواند زنده یا بی جان باشد، در محیطی دایره ای در مرکز قرار می گیرد و به فواصل یکسان پنجاه بار یا بیشتر از آن عکس گرفته می شود. سپس عکس ها چاپ شده و با استفاده از دستگاه پانتوگراف روی ورقه های چوبی، فلزی یا سنگی ترسیم می شوند.»
روند عکسبرداری روش ویلم: عکسها در اتاقی گِرد با مرکزیت سوژه و توسط دوربین هایی که آن را احاطه کرده اند گرفته می شود. سپس نگاتیوها با استفاده از پروژکتور اسلاید روی صفحه نمایش انداخته می شوند.
(پانتوگراف ابزاری است که از میله های لولایی و مَفصلی به شکل موازی ساخته شده و برای کپی کردن تصاویر در مقیاس کوچک تر استفاده می شود. استفاده از دستگاه پانتوگراف به ویلم اجازه داد که تصویر روشن شده را دنبال کرده و آن را روی تکه چوب نازکی کپی کند).
سپس ویلم با دقت تمام امتداد خطوط را ارّه می کرد. او این فرایند را برای هر برش عکس انجام می داد و وقتی پنجاه قطعه چوب را با هم ترکیب می کرد، مجسمه ای ساده ساخته می شد. او این تکنیک را با استفاده از عکس ها و تکه چوب های بیشتر بهبود بخشید و مدلهایی ساخت که می شد از آنها برای قالب گیری و ریخته گری در آن زمانه قرن نوزدهم بهره برد.
این نوآوری منجر به افتتاح مغازه ای در پاریس شد که بین ثروتمندان آن زمان محبوب شده بود. او اتاقی دایره ای شکل ساخت که در پشت پنل هایش 24 دوربین پنهان شده بود، که هر کدام 15 درجه از هم فاصله داشتند. سوژه در کانون اتاق قرار میگرفت و ویلم 24 عکس همزمان از سوژه می انداخت. این فرایند فقط چند دقیقه طول می کشید و هر عکس در عرض ده ثانیه گرفته می شد. کار سوژه تمام می شد و باقی را به ویلم می سپرد و پس از چند روز بر میگشت تا محصول نهایی را دریافت کند.
بعدها ویلم مراحل کارش را بهبود داد: اگرچه روند کار با نگاتیوها مانند قبل بود، اما بجای استفاده از لایه های چوبی، اینبار از بلوکی سفالی استفاده می کرد. پانتوگراف به یک ابزار کنده‌کاری وصل شده بود و روی میز گِردی قرار داشت که 360 درجه می چرخید، هر عکس از شمارۀ 1 تا 24 روی بخش مشخصی از بلوک سفالی قرار می گرفت و او دوباره خطوط تصاویر را دنبال می کرد. با استفاده از این روش، ویلم توانست نیم تنۀ سه بعدی محکمی بسازد که میشد پس از کمی سمباده زنی و تمیزکاریِ جزئیات از آن برای قالب گیری استفاده کرد.
اختراعات او در زمان خود (اواخر قرن نوزدهم) فوق العاده پیشرفته بودند و نشان میداد که فراتر از قرن خود فکر میکرد ولی متاسفانه او عاقبت خوشی نداشت؛ عدم محبوبیت توسط مجسمه سازان سنتی محافظه کار که به او حسادت میکردند و بازارشان را کساد کرده بود و ناتوانی در توازن دخل و خرج (چون نتوانست سرمایه ای جذب کند)، موجب شکست و تعطیلی مغازه شد.
با این وجود، سیستم نبوغ آمیز ویلم، نوعی پیشبینی برای ظهور اسکنرهای سه بعدی و فناوری چاپ سه بعدی در سده آینده بود؛ بنوعی میتوان عناصر سازندۀ چاپ سه بعدی را در عکس – مجسمه‌های مکانیکی قرن نوزدهمی ویلم مشاهده کرد.
همانطور که چاپگرهای سه بعدی امروزی هزینه ها، زمان و نیروی کار را کاهش می دهند، روش مجسمه-عکس ویلم با استفاده از کمترین مهارت و نیروی کار، کاهش زمان و هزینه ها، امکان تکثیر مجسمه ها را با سرعت بیشتری فراهم کرده بود. چاپگرهای سه بعدی امروزی توانایی اسکن سه بعدی بسیار دقیق انواع مدل ها را دارند. ویلم با نبوغش که گرفتن عکس 360 درجه از اطراف سوژه بود، توانست آنها را ترکیب کند و تصاویر سه بعدی بسازد. همانطور که مجسمه سازی مکانیکیِ ویلِم با لایه‌گذاری تکه های چوب یا سفال مدلی را می ساخت، چاپگرهای سه بعدی پیشرفته امروزی نیز با برش دادن تصاویر دیجیتال (مفهوم اسلایسنگ) و ساخت لایه به لایه موفق به تولید مدل فیزیکی نهایی می شوند. (این فرایند به چاپگرهای سه بعدی امکان می دهد تا با سرعت و دقت بیشتری قطعات را تولید کنند).
نکته: با ادامه این ایده، سال 1892 مخترعی به نام جوزف ای. بلانتر حق ثبت اختراع ایجاد نقشه های توپوگرافی سه بعدی به شیوۀ ای شبیه لایه گذاری را بدست آورد که از لحاظ مفهومی مشابه چاپگرهای سه بعدی امروزی بود.
هر دو این رخدادها وعده ای برای فناوری چاپ سه بعدی در آینده بودند.
سده بیستم: اولین داستانهای علمی تخیلی درباره پرینتر سه بعدی
تاریخ چاپ سه بعدی: از داستان علمی-تخیلی تا تبدیل به واقعیت علمی
تصویر کاور کتاب Things Pass By سال 1945
سال 1945
اولین حق ثبت اختراع برای فرآیندی بنام ضبط‌کننده فلز مایع “Liquid Metal Recorder” به دهه 1970 برمیگردد، اما مفهوم این ایده بسیار قدیمیتر است:
در سال 1945، یک رمان کوتاه علمی تخیلی از موری لینستر (نویسنده مشهور آمریکایی داستانهای ژانر علمی تخیلی) بنام «چیزها عبور میکنند : Things Pass By» منتشر شد. او در این کتاب، درباره «پلاستیک‌های ماگنترون (مغناطیسی) و یک بازوی متحرک که کارآمد و انعطاف‌پذیر است، صحبت میکند. ابزاری که با اسکن فتوسل، چیزهایی را در هوا طراحی و پلاستیک مذاب از انتهای بازوی طراحی بیرون می‌آید و همزمان با آمدن سخت میشود. آنچه در زمان انتشار این داستان لینستر (1945) علمی تخیلی بود؛ 43 سال بعد – در سال 1988 به واقعیت تبدیل شد و فناوری چاپ سه بعدی ترموپلاستیکی FDM و در دهه 90، روشهای متریال فلزی آن، بنام پرینت سه بعدی فلزی DED توسعه داده شدند!
یکبار دیگر به داستان تخیلی Leinster فکر کنید؛ لینستر بسیار جلوتر از زمان خود بود؛ او از بازوی رباتیک در فضا و ساخت کامپیوتری صحبت کرد، چیزی که در سال 1945 ویران از جنگ جهانی دوم و قبل از شروع رقابت فضایی آمریکا و شوروی، فراتر از تصور انسانی بود.
ریموند فیشر جونز 1915 – 1994 / نویسنده آمریکایی ژانر علمی تخیلی که دهها کتاب در حوزه «سای فای» نوشته است.
سال 1950
داستان کوتاه Raymond Fisher Jones، بنام «Tools of the Trade یا ابزارهای تجارت» که در شماره نوامبر 1950 نشریه‌های Amazing Stories (Astounding Stories) منتشر شد، اولین داستانی بود که واقعا به ایده چاپ سه بعدی پرداخت، اگرچه او در آن زمان آنرا «اسپری مولکولی» نامید.
سال 1974
در سال 1974 «دیوید E. H. جونز» مفهوم چاپ سه بعدی را در ستون ادبی Ariadne در مجله New Scientist بیان کرد.
در داستانهای داودالوس، «دیوید جونز» بعنوان مظهر “دانشمند دیوانه” ظاهر شده، اما برخی از ایده‌هایی که وی ارائه داد، قابل اثبات هستند: حدود یک پنجم از آنها بطور جدی توسط دیگران پیشنهاد شده و برخی حتی ثبت اختراع گشته‌اند. مثلا تکنیک چاپ سه بعدی مایع فتوپلیمری لیزر توسط چاک هال در سال 1984 ثبت اختراع شد، اما «دیوید جونز» مفهوم این ایده را تحت عنوان Daedalus در مجله New Scientist ده سال قبل (1974) ارائه کرده بود.
newscientist.com/letter/mg23230991-100-1-editors-pick-3d-printing-you-read-it-here-first
از سال 1964، «دیوید جونز» شیمیدان انگلیسی، ستونی داستانی را به مدت 38 سال با نام مستعار Daedalus برای مجله New Scientist می‌نوشت. وی به لطف تصویر طنزآمیزش از علم مورد توجه بسیاری از خوانندگان قرار گرفت. تمام آن ستون‌نویسی‌ها بهمراه اظهارات وی و چند داستان، در دو کتاب گردآوری شده‌اند:
A Compendium of Plausible Schemes (1982)
The Further Inventions of Daedalus (1999)
ددالوس، نماد کهن الگوی یک دانشمند دیوانه، کاملاً غیراخلاقی و فاقد عقل سلیم بود. بسیاری از ایده‌های او، خدا را شکر، هرگز نور روز را ندیدند، اما گاهی اوقات او بطور تصادفی به یک طرح درست عملی می‌رسید. بعدها او و سردبیران مجله New Scientist در کمال شگفتی، متوجه شدند که کم و بیش دقیقاً همان نوع فناوری استریولیتوگرافی را که چاک هال 10 سال بعد در آمریکا توسعه و ثبت اختراع نمود را در ایده‌ای تخیلی در این مجله مطرح کرده بودند اگرچه هیچ اشاره‌ای به مفهوم چاپ سه بعدی یا ساخت لایه افزایشی نشده بود ولی درباره پرداخت مایع مونومری با فرابنفش و سایر پرتوهای نوری یا لیزری در یک تانک غوطه‌ور و فرم‌دهی آن بشکل جامد صحبت شده بود (شماره مجله: 3 اکتبر 1974، صفحه 80).
بر اساس ایده تخیلی دیوید جونز در مجله New Scientist، سه سال بعد یک دانشجوی آمریکایی رشته ادبیات بنام Wyn Kelly Swainson پتنت خود بنام روش تولید سه بعدی با هولوگرافی را به ثبت رساند (اما او خیلی زودتر از داستان تخیلی دیوید جونز، اختراعش را از سال 1967 تا 1971 شروع کرده بود). پتنت او تجاری نشد اما بنوعی اولین تلاش برای شروع مسیر عملی در فناوریهای 3D Print محسوب میشود.
Chuck Hull آمریکایی، بدون شک با اختراع تکنیک استریولیتوگرافی، چاپ سه بعدی را به یک واقعیت عملی تبدیل کرد (سازنده اولین 3DPrinter تجاری جهان – در بخشهای بعدی درباره او شرح خواهیم داد). اما Hull اولین کسی نبوده که آنرا پیشنهاد کرد؛ مجله New Scientist و ستون‌نویس دیوانه‌اش، نقش کوچکی در ایده‌پردازی آن دارند.
فناوریهای چاپ سه بعدی در قرن بیستم
تولد واقعی 3D Printing
اولین تلاشها برای چاپ سه بعدی مدرن (اواخر قرن بیستم) در جهان صنعتی زمانی انجام شد که بسیاری از ما در ایران خودمان هنوز از پرینترهای سوزنی کاغذ و کامپیوترهای MS-DOS شگفت‌زده میشدیم (البته اگر خوش شانس میبودیم که بتوانیم در دهه شصت خورشیدی چنین دستگاههای گران و نایابی را از نزدیک ببینیم و لمس کنیم)!
1970: دهه ایده پردازی‌های اولیه
Wyn Kelly Swainson مالیکت اختراع “استفاده از لیزر برای ایجاد پیوندهای متقاطع کووالانسی در سطح یک مونومر مایع که در آن شی تولید شده روی سینی قرار میگیرد و بتدریج در یک خمره در زمان پایین میرفت، ثبت کرده است.”
اولین پتنت درباره چاپگر سه بعدی در 12 ژوئیه 1967 در دانمارک توسط وین کلی سواینسون، دانشجوی 27 ساله آمریکایی به ثبت رسید. این پتنت که «روش تولید شکل سه بعدی با هولوگرافی» نامیده میشود، سیستمی را پیشبینی کرد که به موجب آن یک جسم سه‌بعدی را میتوان با استفاده از یک جفت تداخل‌سنج لیزری اسکن و ابعاد آنرا به رایانه منتقل نمود. این کامپیوتر سپس داده‌های شکل جسم را به یک جفت لیزر دوم می‌رساند که با سخت کردن انتخابی یک شکل سه‌بعدی در مخزن پلاستیک حساس به نور، آنرا بازتولید میکند.
patents.justia.com/inventor/wyn-kelly-swainson
سواینسون یک دانشجوی ادبیات انگلیسی بود که پس از این که از خود پرسید که چرا هیچ راهی برای کپی سه بعدی از مجسمه‌ها، مانند عکسهای نقاشی وجود ندارد، به این ایده رسید. او با گذراندن ماهها در اتاق مطالعه کتابخانه بریتانیا، خواندن پتنت‌ها و مجلات علمی، آنقدر علم به خود آموخت تا بتواند روی روشهای ممکن کار کند. مطالعات او را بسمت فتوپلیمرها سوق داد، دسته‌ای از پلاستیکها که تازمانیکه در معرض اشعه ماوراء بنفش یا نور مرئی قرار نگیرند، مایع باقی میمانند.
اختراع سواینسون که بعداً بعنوان حق اختراع شماره 4,041,476 ایالات متحده ثبت شد “روش، رسانه و دستگاه برای تولید یک محصول شکل سه بعدی” نام گرفت:
patents.justia.com/patent/4041476
وی در ثبت اختراعش، ایجاد اشیاء را با استفاده از دو لیزر متقاطع که در فرکانسهای مختلف کار میکنند، پیشنهاد کرد. به این ترتیب پلاستیک فقط در محل خاصی که لیزرها بهم می‌رسند سخت میشود.
اگرچه پتنت شگفت‌انگیز «وین کلی سواینسون» نمایانگر یک نگاه اجمالی رویایی از فناوری آینده بود، اما این پتنت با یک نمونه اولیه کار همراه نبود و بطور قابل توجهی در مورد جزئیات عملی در برخی موارد کم می‌آورد. مثلا مرحله “کامپیوتر”، یک جعبه سیاه بود که هیچ توضیحی در مورد نحوه عملکرد آن نداشت. سواینسون در طول دهه 1970 تا اوایل دهه 1980 بکار روی پروژه‌های چاپ سه بعدی ادامه داد و یک شرکت – Formigraphic Engine Corporation – را تأسیس کرد و تحقیقاتی را برای سازمان دارپا و آژانسهای دیگر آمریکایی انجام داد. ولی متاسفانه کار او هرگز به یک محصول تجاری بادوام منجر نشد و با ثبت اختراع استریولیتوگرافی چارلز چاک هال در اواسط دهه 1980 تمام تلاشهای چند ساله او تحت الشعاع قرار گرفت. نهایتا او در سال 1988 در 48 سالگی درگذشت.
اوایل این دهه شرکت میتسوبیشی موتورز این ایده را ارائه داد که از متریال سخت شدۀ عکاسی برای ساخت لایه به لایۀ قطعات استفاده شود.
در این دهه ثبت اختراع «چیزی که ما به آن “چاپ سه بعدی” اطلاق می کنیم»، به معنای محدود در نظر گرفته نشده است بلکه شامل نوشتن یا نمادها، شکلها و الگوهای دیگر مربوط به جوهر میشود؛ اصطلاح جوهر در اینجا نه فقط شامل مواد حاوی رنگ و رنگدانه، بلکه به هر مادۀ روانی گفته می شود که از آن برای تولید الگوها و شکلهای مورد نظر استفاده میشود. جوهر مورد نظر در دهه هفتاد مثلا میتواند از نوع ذوب داغ باشد. طیف وسیعی از ترکیبات جوهری در بازار موجود بود که میتوانست نیازهای اختراع را برطرف سازد اما در آن زمان شناخته شده و ارزان نبود. با این وجود، در یک اختراع دهه هفتاد میلادی از آلیاژ فلز رسانا بعنوان جوهر استفاده شده است.
فناوری جوهر افشان در دهه 1960 توسط شرکت Teletype اختراع شد، روشی برای “کشیدن” قطره مواد از نازل با استفاده از الکترونیک – این تکنیک منجر به اختراع دستگاهی شد که بتواند حداکثر 120 کاراکتر در ثانیه را چاپ کند و در نهایت راه را برای چاپگرهای کاغذ دسکتاپ هموار کرد. Teletype بعداً با موم ذوب شده، آزمایشی انجام داد (در یک حق ثبت اختراع در سال 1971 متعلق به یوهانس اف. گوتوالد تپپ). ایده این بود که یک شیء ساخته شده از فلز مایع را که به شکل از پیش تعیین شده توسط حرکت جوهر افشان بر روی هر لایه جدید، تولید کند. نام این دستگاه ضبط کننده فلزی مایع بود که اساس مفهوم کلاسیک نمونه‌سازی سریع است و اظهار میکرد که “چاپ” میتواند فراتر از مواد معمولی جوهری حرکت کند.
در سال 1971، یوهانس اف.گوتوالد دستگاهی با ساختاری مشابه Liquid Metal Recorder را ثبت اختراع کرد؛ این دستگاه یک جوهرافشان پیوسته برای متریال فلزی بود که میتوانست قطعه ای فلزی را روی صفحه ای چند بار مصرف تولید کند تا آن صفحه برای چاپ مجدد یا فوری قابل استفادۀ مجدد باشد. بنظر می رسد این اولین ثبت اختراع مربوط به چاپ سه بعدی یا نمونه سازی سریع باشد.
با اینحال دستگاه یوهانس اشکالاتی داشت: از نظر نیازمندی به متریال برای فرایندهای بزرگ، متناسب با افزایش اندازه، هزینه نیز زیاد میشد و محدودیتهایی هندسی هم ایجاد میکرد. در نتیجه هدف فرعی این بود که استفاده از متریال در فرایند را به حالت بهینه برسد. یکی دیگر از اهداف دستگاه یوهانس این بود که مواد استفاده شده در هر فرایند ساخت، قابل بازیابی برای استفادۀ مجدد باشند. جنبۀ دیگر این اختراع آن بود که صفحۀ حاملی وجود داشته باشد که پس از اتمام کار بتوان الگو را به راحتی از آن جدا کرد (یعنی همان مفهوم بستر ساخت جداشونده پرینترهای سه بعدی امروزی). دستگاه یوهانس وتوالد خیلی پیشرفت نداشت و در حد تئوری باقی ماند.
در دهه 1980، معدود تکنیکهای چاپ سه بعدی بسیار گران بودند و فقط برای تولید نمونه‌های اولیه کاربردی یا زیبایی‌شناسی در نظر گرفته میشدند و یک اصطلاح مناسب‌تر برای آن زمان نمونه‌سازی سریع یا Rapid Prototyping بود.
1981- 1984: گامهای اولیه ساخت چاپگر سه بعدی
آمریکا: ویلیام ادوارد مسترز
William Edward Masters یک مهندس، مخترع، طراح، کارآفرین تولیدی و مشاور/مرشد تجاری آمریکایی و متولد 1950 است.
او اولین کسی بود که پتنت چاپ سه بعدی را در دهه 80 ثبت کرد؛ همراه با پتنت‌های دیگر آن مانند مبدل پیزو، اکستروژن، لیتوگرافی، کشش سطحی و آرایه پین و ساخت به کمک کامپیوتر.
patents.google.com/patent/US4665492
در اواسط دهه 1970، مسترز کار بر روی یک فرآیند تولید انقلابی را آغاز کرد، فرآیندی که او آنرا استفاده از نی برای رسوب دادن “ماده” وقتی به تعداد زیادی شلیک تا شروع به شکل گیری کنند. اگر بتوانید جهت و حرکت وسیله ای که آنها را شلیک میکند کنترل کنید، میتوانید هر شکل دلخواه را تولید کنید.
مسترز در 2 ژوئیه 1984 (US 4665492) حق امتیازی را برای فرآیند و سیستم تولید خودکار رایانه خود ثبت کرد (Computer Automated Manufacturing Process and System). این پرونده در USPTO بعنوان اولین پتنت چاپ سه بعدی در تاریخ ثبت شد.
این اولین ابداع از سه اختراع متعلق به آقای Masters است که پایه و اساس سیستمهای چاپ سه بعدی را که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد، پایه‌گذاری کرد.
مسترز فناوری چاپ سه بعدی خود را در کنفرانسهای CAD/CAM در اواخر دهه 1980 معرفی کرد که موفقیت چندانی نداشت.
او برند Perception Systems را برای انجام تحقیق و توسعه فناوری خود تأسیس کرد. در سال 1992، Perception Systems نام خود را به (BPM) تغییر داد.
en.wikipedia.org/wiki/William_Masters_(engineer)
BPM سال 1996 چاپگر Personal Modeler 2100 را راه‌اندازی کرد، دستگاهی که از سیستم طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) برای تولید یک شی به هر شکلی با “پرتاب قطرات پلاستیک” استفاده میکرد.
این شرکت، شانزده دستگاه Personal Modeler را بصورت بتا (نسخه ناکامل تحت آزمایش) برای مشتریان ارسال نمود. متاسفانه پس از هشت سال توسعه محصول، همچنان غیرقابل اعتماد بودند و اکثر شرکت‌هایی که دستگاهها را دریافت کردند، آنها را بازگرداندند و توجه خود را بجای دیگری معطوف نمودند.
تبليغات منفي ناشي از این محصول، مرگبار بود و BPM در سال 1997 از کار افتاد.
بعدا دو مخترع آمریکایی، فناوریهای چاپ سه بعدی بهتری را توسعه دادند که به قابلیت تجاری دست یافت: چارلز چاک هال که استریولیتوگرافی را اختراع کرد (8 اوت 1984) و استیون. اسکات کرامپ که مدل سازی رسوب ذوب شده را به ثبت رساند (30 اکتبر 1989). هر دوی این افراد پس از پتنت بیل مسترز (2 ژوئیه 1984) درخواست ثبت اختراع خود را ثبت نمودند.
حق امتیاز چاپ سه بعدی Masters در سال 2004 منقضی شد.
ژاپن : دکتر کوداما : اختراع نافرجام
تاریخچۀ پرینت سه بعدی در سال 1981 با درخواست ثبت اختراع دکتر هیدئو کوداما برای یک دستگاه نمونه سازی سریع آغاز میشود. تا آنجا که می دانیم، دکتر کوداما اولین کسی است که برای ثبت اختراع سیستم پرداخت رزین توسط پرتو لیزر درخواست میدهد.
در آوریل 1980، هیدئو کوداما از موسسۀ تحقیقاتی شهرداری ناگویا شیوۀ افزایشی برای ساخت مدلهای سه بعدی پلیمر حساس به نور ارائه داد. به این صورت که پرتو UV توسط یک الگوی پوشاننده یا یک فرستنده کنترل شود (ایدۀ کوداما این بود که مخزن مواد فتوپلیمر را برای سخت شدن در معرض نور UV قرار دهد).
در 10 نوامبر 1981، او برای پتنت ترسیم‌گر XYZ درخواست ثبت اختراع کرد. او نتایج تحقیقاتش را در همان سال در چند ژورنال ژاپنی و انگلیسی زبان منتشر کرد.
دکتر کوداما برای تقویت آزمایش های خود، دو مقالۀ اساسی دربارۀ نمونه سازی سریع نوشت:
- نمایش داده های سه بعدی به وسیلۀ آماده سازی اتوماتیک مدل سه بعدی: در این مقاله او کار خود را با جزئیات شرح داد و تمام آزمایشات مربوط به ساخت نخستین نمونۀ استریولیتوگرافی را به دقت برشمرد.
- روش اتوماتیک تولید مدل سه بعدی پلاستیکی با پلیمر حساس به نور و بررسی ابزارهای علمی. در این مقاله، او سه روش اساسی «چاپ سه بعدی» را برای ایجاد قطعات پلاستیکی لایه به لایه با استفاده از پلیمر حساس به نور توصیف می کند. او همچنین اطلاعات مهمی از ایجاد فرایند استریولیتوگرافی ارئه می دهد.
با این حال، بطرز غیرقابل باوری هیچ واکنش قابل توجهی نسبت به تحقیقات و مقالات او انجام نشد! دستگاه او مورد ارزیابی دقیق قرار نگرفت و رئیس محافظه کارش هم هیچ علاقه‌ای به ایده آینده دار او و سرمایه گذاری نشان نداد. بودجۀ تحقیقاتی درخواستی کوداما 60 هزار ین در سال بود (در آن زمان ژاپن، پول نسبتا هنگفتی محسوب میشد)؛ بنابراین حق ثبت اختراع برای ترسیم‌گر XYZ بدست فراموشی سپرده شد و پروژه خاتمه یافت و ایده اش هرگز به مرحله تجاری شدن نرسید.
عکس بالا قطعه ایست که کوداما با دستگاه اختراعی اش ساخت. او بعدها این قطعه را نابود کرد ولی عکسش را نگه داشت. قطعه به ارتفاع 5 سانتیمتر بود که از 27 لایه رزین 2 میلیمتری ساخته شده بود.
1984: فرانسه
یک تیم فرانسوی : تکنیک استریولیتوگرافی
ایده‌ای که در نهارخوری متولد شد
ژان کلود آندره (از مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه CNRS)، آلن لومهاوت (از CGE، آلکاتل سابق) و اولویه دوویت (از Cilas)
در دهه 80 میلادی ایدۀ «دستگاه های نمونه سازی سریع» در تمامی کشورهای پیشرفته همچنان توسعه می یافت و افراد زیادی درگیرش بودند، اینبار از فرانسه.
آلن لومهاوت در آن زمان یک مهندس جوان حوزه الکتروشیمی بود که در شرکتی وابسته به آلکاتل فرانسه شاغل بود ولی چون همزمان روی هندسۀ فراکتال تحقیقاتی شخصی می کرد، همکارانش شدیدا با معادلات او مخالف بودند و تا میتوانستند مسخره اش کرده و بر او میخندیدند؛ آنها فکر میکردند که او افکاری «پرت و خیالی» دارد! اما او یک چیز را به خوبی میدانست: باید ثابت میکرد که حق با اوست؛ آلن مجبور بود که یک شی «فراکتال» بسازد تا توضیح دهد که «خصوصیات یک بخش از شی با خصوصیات کل آن برابر است.» بدلیل شکل پیچیدۀ چنین قطعه‌ای، هیچ دستگاهی صنعتی در آن زمان اجازۀ چنین تولیدی را نمی داد؛ به همین دلیل به فکر تولید سریع قطعات صنعتی با ابتکاری جدید افتاد.
لومهاوت با دوویت، که در یکی از شرکتهای زیرمجموعۀ آلکاتل کار می کرد، تماس گرفت. دوویت که سابقۀ کار با لیزرهای Cilas را داشت، در مورد مونومرهای مایع قابل پرداخت با لیزر مطلع بود. لومهارت در نهارخوری شرکت با اولیویه دوویت در مورد ایدۀ خود صحبت کرد و مشکلش در ساخت دستگاهی که بتواند «شی فراکتال» بسازد را مطرح کرد و پیچیدگی های قضیه را برشمرد. حدس بزنید چه شد؟
اولیویه به او گفت: وقتی دو لیزر از یکدیگر عبور می کنند، مایع (مونومر) می تواند به جامد (پلیمر) تبدیل شود: همین امر راه را برای ایده ساخت یک دستگاه نمونه سازی سریع باز کرد؛ آنها به فکر ساختن «چاپگر سه بعدی» افتاده بودند و از لیزر برای ساختن «شی فراکتال» آلن استفاده کردند.
البته نخستین آزمایش نتیجه بخش نبود! پس مجبور شدند ایدۀ خود را به ژان کلود آندره، محقق مرکز تحقیقات ملی فرانسه یا CNRS ارائه کنند. او در کمال خونسردی این ایده را «ایده‌ای وحشتناک خوب» خواند! ژان کلود گفت که به نظرش ساخت لایه به لایه بهتر از ساخت بلوکی است. از این لحظه، این سه مرد با هم کار کردند تا «چاپگر سه بعدی» بسازند و نخستین قطعه‌ای که ساختند یک پلکان مارپیچ بود!!
در 16 جولای 1984، آلن لومهاوت، اولیویه دوویت و ژان کلود آندره پتنت استریولیتوگرافی (ساخت افزایشی با تابش لیزر روی مونورهای حساس نوری) را اقدام کردند.
آنها سه هفته پیش از چاک هال آمریکایی برای حق ثبت اختراع استریولیتوگرافی اقدام کردند. حق ثبت اختراع فرانسوی در ژانویۀ 1986 اعطا شد. (استریولیتوگرافی یا SLA نام خود را به پسوند فایل مشهور STL وام داده است.)
ولی با وجود علاقۀ آندره به این ایده، مرکز تحقیقات آن را تایید نکرد؛ جدا از فقدان معادلات و توضیحات ناکافی پتنت این سه نفر (البته تا حدی طبیعی بود چون در مراحل ابتدایی تحقیقشان بودند)، کاربرد مناسبی برای آن نیافتند و در نتیجه موضوع را بی‌ارزش تشخیص دادند. واحد ارزیابی ادعا کرد که این ایده چندان کاربردی نیست و توجیه تجاری ندارد.
هر سه موسسه عریض و طویل جنرال الکتریک فرانسه (آلکاتل)، کنسرسیوم لیزر و مرکز تحقیقات ملی فرانسه بدلیل آنچه که «فقدان چشم انداز تجاری» نامیدند، سرمایه گذاری برای اختراع این سه نفره را رد کردند!
بنابراین، جمع‌آوری سرمایه برای این سه نفر بمنظور تولید دستگاهی انقلابی بسیار دشوار شد. آنها نیز در کمال تاسف پروژه را رها کردند: آلن لومهاوت در کازانِ روسیه معلم شد، ژان کلود آندره در شرکتی خصوصی شروع بکار کرد و اولیویه دوویت نیز مدتی بعد سرپرست زیرمجموعۀ فرانسوی 3D Systems شد (شرکتی که توسط چاک هال آمریکایی بنیان نهاده شده و مخترع جهانی فناوری استریولیتوگرافیست که تقریبا همزمان با آنها در آمریکا درخواست ثبت اختراع داده بود!).
ایالات متحده آمریکا
1984-1988:
- در 2 جولای 1984، بیل مسترز، کارآفرین آمریکایی، برای فرایند تولید کامپیوتری خودکار درخواست ثبت اختراع داد. این پرونده به عنوان اولین ثبت اختراع چاپ سه بعدی تاریخ در سازمان ثبت اختراع و نشان تجاری آمریکا موجود است. این اولین مورد از سه اختراعی بود که بعدها تبدیل به پایه و اساس پرینت سه بعدی امروزی شدند.
- در اوایل سال 1984، رابرت هاوارد موسسۀ تحقیقاتی RH را پایه گذاشت که بعدها شرکت Howtek نام گرفت؛ این شرکت، چاپگرهای دو بعدی تولید می کرد که با استفاده از جوهر ترموپلاستیک کار می ردند. گروهی گرد هم آمدند: برخی از شرکت Exxon، برخی از Danbury System و بعضی دیگر از اعضای شرکت Howtek جمع شدند و گروهی محبوب در صنعت پرینت سه بعدی را ایجاد کردند. ریچارد هلینسکی، روش و فرایندی برای تولید قطعات سه بعدی با استفاده از رسوب ذرات را در سال 1989 اختراع کرد که باعث تشکیل شرکتی به نام A.D-Cast شد که این نام بعدها به Visual Impact Corporation تغییر یافت. نمونۀ اولیۀ پرینتر سه بعدی VIC این شرکت در ویدیویی به نمایش درآمد که چاپ یک مدل سه بعدی با استفاده از تک‌نازل جوهرافشان را نشان می داد. یکی دیگر از اعضای گروه، هربرت مِنهنت، در سال 1991 شرکتی به نام HM Resherch را تاسیس کرد و تکنولوژی جوهرافشان و متریالهای ترموپلاستیکی شرکت Howtek را به شرکت های SDI و BMP معرفی کرد. چاپگرهای سه بعدی هر دو شرکت BMP و SPI از تکنولوژی و متریال شرکت Howtek استفاده کردند. جیمز ک. مک‌ماهون برای کمک به توسعۀ جوهرافشان توسط Howtek استخدام شد، او بعدا برای شرکت Sanders Prototype کار کرد و اکنون Layer Grown Model Technology، ارائه دهندۀ خدمات سه بعدی و پشتیبانی از جوهرافشان ها و تک‌نازلهای Howtek را اداره می کند.
1984: اختراع استریولیتوگرافی
Chuck Hull: شبی که پرینت سه بعدی را اختراع کردم
چاک هال از دبیرستان مرکزی گرند جانکشن کلورادو فارغ‌التحصیل شده و در سال 1961 مدرک کارشناسی مهندسی فیزیک را از دانشگاه کلورادو دریافت کرده است. وی با وجود سن زیادش و بازنشستگی، دوباره به شرکتش برگشت و کار میکرد. او 93 حق ثبت اختراع در ایالات متحده و 20 مورد در اروپا به نام خود نیز دارد.
برعکس گروه سه نفره ناکام فرانسه، دهه 80 میلادی، سال خوش شانسی برای چاپ سه بعدی در آمریکا بود.
در سال 1983، هال در شرکتی کار میکرد که با استفاده از لامپهای UV روکش سخت میز و مبلمان درست میکردند. او مانند باقی افراد شرکت از طولانی بودن فرایند تولید کانسپتهای پلاستیکی کوچک، که نزدیک به دو ماه طول می کشید، شدیدا سرخورده و ناامید بود. در نتیجه به مدیریت پیشنهاد کرد که از لامپهای UV شرکت استفادۀ متفاوتی شود: پرداخت لایه به لایۀ رزین حساس به نور، تا زمانی که قطعه ساخته شود. (آشنا به نظر می آید، نه؟). خوشبختانه آزمایشگاهی کوچک در اختیار او گذاشته شد تا ایدۀ خود را پرورش دهد، کاری که شبها و آخر هفته ها انجام می گرفت.
هال پس از اتمام کارهای روزانه شرکت، شبها تا دیروقت در آزمایشگاه کوچک خود روی ایده اش کار میکرد؛ بالاخره یک شب پس از ماهها، تلاشهایش نتیجه داد: او با دستگاهش واقعا چیز کوچک قابل قبولی چاپ کرده بود! هیجان او به حدی بود که فوراً به همسرش تلفن کرد؛ اولین چیزی که همسرش گفت این بود: «کاش به درد بخوره!»
هال پیش بینی میکرد که اختراع او کاربردهای پزشکی و صنعتی آینده داری داشته باشد بنابراین کاملا مصمم ماند تا ایده اش را تجاری کند. هدفی که بعدا درستی آن ثابت شد.
تقریبا چند هفته پس از این که تیم سه نفره در فرانسه درخواست ثبت اختراع خود را ارائه دادند، چاک هال نیز برای ثبت پتنت تکنولوژی Stereolithography : SLA در آمریکا درخواست ارسال کرد. شانس به chuck hull روی خوش نشان داد زیرا هم با جزییات بیشتری روی پتنتش کار کرده بود و امکانات و تمرکز بهتری داشت، از طرف دیگر در آمریکا (سرزمین فرصتها و دلار) جذب سرمایه گذار و ثبت اختراع خیلی راحتر از کشوری مثل فرانسه یا ژاپن بود.
هال این فرایند را بعنوان «سیستمی برای تولید قطعات سه بعدی با ایجاد الگویی از سطح مقطع جسم» ارائه کرد. مدتی بعد، مشارکت هال باعث شکل گیری فرمت کامپیوتری STL، فرمت اسلایسینگ دیجیتال شد که اکنون بسیار کاربردی هستند و یک اصل بنیادی در صنعت 3D Print محسوب میشوند.
بنابراین حق ثبت اختراع فناوری SLA در سال 1986 بنام Chuck Hull آمریکایی صادر شد و در همان سالها سریعا بفکر تجاری کردن اختراعش افتاد؛ او پس از راضی کردن چند سرمایه گذار، شرکت استارت‌آپی خود را با نام 3D Systems در والنسیای کالیفرنیا تاسیس کرد.
آنها اولین محصول تجاری خود را با نام SLA-1 که اولین پرینتر سه بعدی رزینی جهان محسوب میشود را در سال 1988 روانۀ بازار کردند. استقبال بسیار خوب از طرف کمپانیهای کوچک تا ابرشرکتهایی همچون مرسدس بنز و مراکز تحقیقات فضایی از دستگاه SLA-1 ، باعث رشد و ترقی مالی بسیار چشمگیر شرکت 3D Systems گردید.
1988- 1992: توسعه فناوریهای دیگر 3D Print
ثبت اختراع برای استریولیتوگرافی (متریال رزین) آغاز صنعت چاپ سه بعدی بود، اما همانطور که میدانید، فناوریهای دیگری غیر از SLA هم وجود دارند و وقت آن است نگاهی به زمان اختراع آنها داشته باشیم.
فرایندهای تولید افزایشی برای همجوشی یا ذوب فلزات (مانند Selective Laser Sintering و Direct Metal Laser Sintering و Selective Laser Melting) در دهه های 80 و 90 با شیوه ها و نامهایی دیگر کار می کردند. در صنعت مرسوم و تجاری آن زمان، تمام فلزکاریها توسط فرایندهایی انجام می شد که امروزه غیرافزایشی نامیده میشوند (مانند ریخته گری، فرآوری، قالب گیری و ماشینکاری). اگرچه همان زمان هم بخشهای زیادی از این فرایندها به صورت خودکار انجام می شد (مثلاً جوشکاری و برش CNC توسط ربات)، ایدۀ ابزار یا سرابزاری که در فضای سه بعدی حرکت کند (محورهای مختصاتی X Y Z ) و توده ای از متریال اولیه را بشکل دلخواه درآورد، فقط بصورت کاهشی در فرایندهایی مانند فرزکاری انجام می شد (به جای روش افزایشی چاپ سه بعدی یعنی از هیچ به صد درصد ساختن قطعه).
اما تکنیکهای پرینت سه بعدی فلز، که بعدا با نام تولید افزایشی یا Additive Manufacturing شناخته شدند، این سنتهای صنعتی را به چالش کشیدند؛ در اواسط دهۀ 90، تکنیکهای جدیدی در دانشگاه های استنفورد و کارنگی ملون آزمایش شد که از آن جمله می توان به Microcasting و Sprayed Material اشاره کرد. متریال ساپورت یا بافتهای نگهدارنده حین ساخت نیز متداول شدند و ساخت هندسه های جدید و پیچیده ای که با روشهای سنتی غیرعملی بود را ممکن کردند.
اصطلاح چاپ سه بعدی یا 3D Print در اصل به فرایندی اطلاق می شد که در آن یک سر ابزار شبیه هد جوهرافشان روی بستر پودری حرکت می کرد. این تکنولوژی در سال 1993 در MIT توسط امانوئل ساچز توسعه یافت و توسط شرکتهای Soligen Technologies، Extrude Hone و Z Corporation به بازار تجاری عرضه شد و الهام بخش تکنیک پرینت سه بعدی بایندرجت گردید (در این روش پودر پلیمر با پاشش لایه به لایه مایع استحکام دهنده سخت میگردد).
در سال 1993 نیز شاهد آغاز به کار یک شرکت پرینت سه بعدی به نام Sanders، که بعداً به Solidscape تغییر کرد، بودیم. این شرکت یک سیستم ساخت پرتابی پلیمر (Polymer jet Fabrication) با ساختارهای ساپورت محلول را ارائه کرد. (که در تکنیک های «نقطه به نقطه» دسته بندی می شود).
1988-1987: همجوشی لیزری Selective Laser Sintering :SLS
Carl Deckard: پدر تکنیک SLS:
چگونه یک دانشجوی دوره مهندسی مکانیک، روند تولید صنعتی را دگرگون کرد
کارل دکارد در سن 8 سالگی، هنگام بازدید از موزۀ هنری فورد، تصمیم گرفت که مخترع شود…
او دانشجوی مهندسی مکانیک در دانشگاه تگزاس بود که در یک کمپ تابستانه نیز شاغل بود و ایدۀ فوق‌العادۀ یک فناوری جدید همانجا به ذهنش خطور کرد: Selective Laser Sintering.
در طول این کمپ تابستانی، او در فروشگاه ماشین آلات آهن در هوستون کار می کرد که قطعاتی برای میدان‌های نفتی میساختند. دستگاه TRW در بخش برش قرار داشت و یک برنامۀ CAD ابزارهای دستگاه را کنترل می کرد. اما از نظر کارل دکارد این غول پر سر و صدا برعکس مواد بسیار زیادی که میخورد، عملکرد ریخته‌گری و قالب‌گیری کمی داشت! ایده اش این بود که دستگاهی بسازد که با متریال کمتر بتواند این قطعات را تولید کند.
او بیش از دو سال و نیم برای توسعۀ این اختراعش کار کرد تا بتواند بدون ریخته‌گری قطعات را تولید کند. سرانجام، او تکنیک ذوب انتخابی با لیزر یا همان مخففش SLS را اختراع کرد.
«کارل دکارد» روشی برای چاپ سه بعدی ایجاد کرد که در آن به جای رزین مایع چاک هال، پودر نرمی به شکل جامد در می‌آمد؛ فرایند پیشنهادی دکارد شامل استفاده از لیزر برای پیوند پودر پلیمر به یکدیگر و ساخت شیء جامد بود. وی اولین دستگاهش را «Betsy» نامگذاری کرد. دستگاه نسل دوم که بهبودهای چشمگیری در دقت چاپ داشت «Bambi» نامگذاری شد.
نکته: فناوری SLS عمدتا با انواع پودر پلاستیکها قطعات را میسازد. متریال پلیمر فلز بعدها در آخر دهه 90 با تکینکهای SLM یا EBM توسعه یافتند.
خوشبختانه، او مورد حمایت واقعی قرار گرفت و پروژه اش را گسترش داد. بعدها او به عنوان استاد دانشگاه و دانشجوی دکترا، با کمک دکتر جو بیمان، استاد دانشگاه یو.تی آستین، به تحقیقات انقلابی خود ادامه داد.
دپارتمان مهندسی مکانیک، نمایندگی دانشگاه تگزاس در آستین، مرکز رشد فناوری آستین و بنیاد ملی علوم از ابتدا از این ایده حمایت کردند تا سرانجام، فناوری SLS تجاری با متریال فلز متولد شد.
کارل دکارد در سال 1987 اختراع SLS را ثبت کرد. این حق اختراع در سال 1989 اعطا شد و مجوز SLS برای شرکت DTM (بنیانگذاری توسط دکارت و بیمان) صادر شد، که بعداً با قیمت 45 میلیون دلار توسط کمپانی 3D Systems خریداری شد.
Carl R. Deckard در سال 2019 در سن 58 سالگی درگذشت ولی میراثی که برای صنعت مدرن باقی گذاشت، جاودانیست.
نکته: در سال 1995، انجمن فرانهوفر فرایند اولیه تکنیک SLM را توسعه داد.
1992-1988: تولد نمونه سازی لایه گذاری ذوب شونده
Fused Deposition Modeling :FDM
استیون اسکات کرامپ: رویاهایم در گاراژ خانه ام شروع شد
اواخر دهه 80 میلادی، نوبت Fused Deposition Modeling : FDM یا نمونه سازی رسوب مذاب ترموپلاستیکی بود. جالب اینجاست که، علیرغم این که این تکنولوژی اکنون ساده ترین، رایج ترین و ارزانترین فناوری در بین دیگر تکنیهای چاپ سه بعدیست (حتی در ایران)، در واقع تکنیک FDM پس از SLA و SLS اختراع شده است.
1989: اسکات کرامپ، بهمراه همسر و همکارش لیزا کرامپ، شیوۀ تولید افزایشی جدیدی را به نام Fused Deposition Modeling اختراع و ثبت کردند. این روش شامل ذوب شدن یک رشته پلیمر ترموپلاستیکی و رسوب لایه به لایه و در نتیجه ساخت قطعۀ سه بعدی بود.
روایت FDM از یک داستان شخصی نقل شده از اسکات کرامپ شروع می شود:
او می خواست یک قورباغه اسباب بازی برای دختر دوساله‌اش بسازد. همچنین به عنوان مهندس مکانیک میخواست دستگاهی را برای تولید خودکار اجسام سه بعدی آزمایش کند؛ در آشپرخانۀ خانه اش سعی کرد که موم شمع را با پلاستیک (پلی اتیلن) ترکیب کند. متوجه شد که تولید یک شی سه بعدی با ابزاری شبیه چسب تفنگی امکان پذیر است. عصرها وقتی از سر کارش برمیگشت مدتی در آشپزخانه روی ایده اش ور میرفت ولی از آنجا که ساخت قطعه با این روش، پلاستیکِ سوختۀ زیادی به جا گذاشته بود، همسرش را شدیدا کفری کرد و مجبور شد که کار را به گاراژ منتقل کند و آنجا به کار خود ادامه دهد.
کرامپ بعدا تصمیم گرفت این روش را کاملا اتوماتیک کند: فکر کرد که اگر تفنگ را به یک سیستم رباتیک سه محوره وصل کند، روند مدل سازی به صورت خودکار انجام خواهد شد… و بدین ترتیب نمونه سازی لایه گذاری ذوب شونده بنام FDM یا FFF متولد شد.
با پیشرفت چشمگیر آزمایشهای کرامپ در گاراژ خانه ، همسرش به او گفت که یا شوق خود را به تجارت بدل کند و یا از این سرگرمی بیهوده دست بکشد. خودتان حدس بزنید چه شد؟ او و همسرش لیزا کرامپ در سال 1989 فناوری FDM را ثبت کردند.
در سال 1992، اسکات نخستین پرینتر سه بعدی FDM را عرضه کرد. اندکی بعد همسرش او و لیزا ، شرکت Stratasys را در بورس و دیگر موسسات مالی آمریکا معرفی و فعال کردند. اسکات امروز رئیس هیئت مدیرۀ شرکت آمریکایی – اسراییلی Stratasys است.
یکی از اولین صنایعی که در اوایل دهۀ 90 از این فناوری استفاده کرد، مهندسی پزشکی بود ولی آن زمان مثل هم اکنون فناوری FDM مرسوم نبود و به خانه ها راه نیافته بود چون کار کردن با آن سخت بود و هزینه زیادی هم داشت.
حق ثبت اختراع FDM توسط اسکات کرامپ ارائه شد که امروز بعنوان بنیانگذار کمپانی Stratasys شناخته میشود: Stratasys، یکی از برجسته ترین شرکتهای تولید افزایشی در جهان محسوب میشود. این شرکت آمریکایی-اسراییلی مستقر در مینسوتا در سال 1989 تاسیس شده است و یکی از پیشروان تولید پرینترهای سه بعدی با دقت بالا محسوب میشود. امروزه محصولات این شرکت فراتر از حوزه FDM میباشد و تمامی تکنیها را در بر میگیرد. در دهه 2000 این کمپانی چندین شرکت مطرح دیگر همچون MakerBot را خریداری کرد.
نکته: حق ثبت اختراع فرایند Fused Deposition Modeling | FDM در سال 2009 منقضی شد.
استفاده از چاپگرهای متریال ترموپلاستیک (رشته فیلامنت) در ایران رونق یافته است؛ زیرا کسب و کارها با این دستگاه میتوانند بسرعت پروتوتایپ محصولات و تست قطعه قبل از شروع فرآیند قالب‌سازی را انجام دهند. شرکت توسعه گران بعد سوم “3DPE” از باسابقه‌ترین شرکتهای سازنده پرینتر سه بعدی میباشد و افتخار عرضه محصولات خود به برترین برندهای دولتی و خصوصی ایران را داشته است. شما نیز میتوانید به جمع این برندهای موفق بپیوندید.
تولد چاپ سه بعدی زیستی یا بایوپرینت Bio 3D Print
1999: استفاده از اندام های چاپ سه بعدی در عمل جراحی زمانی به واقعیت پیوست که یک مثانۀ آزمایشگاهی، با استفاده از فناوری موسسۀ پزشکی Wake Forest، با موفقیت به یک بیمار پیوند زده شد.
پیوند مثانه مصنوعی از طریق گرفتن سی‌تی‌اسکن از مثانه بیمار و استفاده از این اطلاعات برای چاپ تکیه گاه قابل تجزیه ممکن شد. سلولها با استفاده از نمونۀ بافتی مثانه بیمار رشد داده می شوند و پیش از پیوند روی تکیه گاه قرار می گیرند.
پروتزهای چاپ سه بعدی
2008: اولین پای مصنوعی قابل چاپ سه بعدی در این سال تولید شد و مورد استفاده قرار گرفت. این پروتز بصورت کامل چاپ می شد و نیازی به مونتاژ اضافی نداشت. امروزه تعداد بیشتری 3D Print پروتز در سراسر جهان تولید شده اند و مورد استفاده قرار گرفته اند.
جوهرهای زیستی استاندارد
در سال 2002، دانشمندان با استفاده از سلول های کلیوی موفق به تولید کلیۀ مینیاتوری چاپ سه بعدی شدند و هدفشان تولید اندام هایی در اندازۀ واقعی در آینده بود.
در سال 2008، شرکت Stratasys یک متریال FDM سازگار با محیط زیست عرضه کرد که قابلیت استفاده در بدن انسان را داشت (مثلاً برای قطعات دستگاه تنظیم کنندۀ ضربان قلب قابل استفاده بود.)
سال 2015: شرکت سوئدی Cellink اولین جوهر زیستی تجاری استاندارد را برای فروش عرضه کرد. جوهر زیستی (Bio-Ink) از ماده ای مشتق شده از جلبک دریایی به نام آلژینات نانوسلولز ساخته می شود و می توان برای چاپ غضروفهای بافتی از آن استفاده کرد.
قیمت اولین محصول Cellink بابت یک کارتریج 99 دلار بود. در اواخر همان سال، این شرکت پرینتر سه بعدی INKREDIBLE را با قیمت 4999 دلار به بازار عرضه کرد. با وجود این دو محصول، ناگهان چاپ بیولوژیک سه بعدی برای طیف وسیعی از محققان در سراسر جهان مقرون به صرفه شد.
انقلاب پلتفرم RepRap: Replicating Rapid Prototyper:
نمونه سازی سریع همسان
رِپ رَپ: جد بزرگوار چاپگرهای سه بعدی FDM
2004: در این سال آدرین بویِر، استاد ارشد مهندسی مکانیک در دانشگاه باث انگلستان، پروژه RepRap را راه اندازی کرد؛ پروژه ای با منبع باز که هدف آن ساخت یک پرینتر سه بعدی FDM بود که بتواند اکثر اجزای خودش را چاپ کند؛ ارزان باشد و همچنین در دسترس همگان با قابلیت توسعه و سفارشی سازی.
فلسفه ای که پشت این ایده محبوب بود، باعث گسترش پلتفرمش در بین مردم جهان و به طبع همگانی شدن پرینتر سه بعدی شد. چرا که حالا افراد در خانه میتوانستند برای دوستان شان پرینتر چاپ کنند!
در سالهای اول دهه 2000، چاپگرهای سه بعدی کمتر در دسترس عموم قرار داشتند و اکثرا شرکت های بزرگ برای نمونه سازی و تولید از آنها استفاده می کردند. آن زمان این فناوری هنوز هم پیچیده و گران بود. همین امر موجب شد که RepRap اولین پرینتر ارزان و کاربرپسند خود را ارائه دهد و هدفش را گسترش استفاده از پرینترهای سه بعدی برای عموم معرفی کند. در سال 2008، آنها پرینتری ارائه کردند که توانایی تولید قطعات خود را داشت.
اولین طراحی پرینتر سه بعدی RepRap، به نام «داروین»، چندی بعد در سال 2007 منتشر شد. نسخه های دیگر، از جمله «مِندل»، «پروسا مندل» و «هاکسلی» در سال های بعد ارائه شدند. پرینترهای اولیۀ RepRap از روی زیست شناسان مشهور انگلیسی نامگذاری میشدند، زیرا فلسفه این پروژه بر مبنای تکثیر و کامل شدن تدریجی (تکامل طبیعی) بود! جالب اینکه این پلتفرم بعدها مغلوب نوادگانش شد (توقف رپ رپ سال 2016) و کم کم ساختارهای مکانیکی و طراحی صنعتی بروزتری برای تکنیک FDM ارائه شدند که دیگر پلتفرم RepRap را قدیمی جلوه میداد؛ درست همانند تکامل در طبیعت، اجداد این پلتفرم منقرض شدند و هسته بهبود یافته آن به نسلهای جدیدتر همچون برندهای کنونی Prusa ، Ultimaker، MakerBot … منتقل شده است.
تایم لاین فناوری چاپ سه بعدی
1980: اولین حق ثبت اختراع توسط دکتر کودامای ژاپنی برای نمونه سازی سریع
1984: ثبت اختراع استریولیتوگرافی توسط فرانسوی ها به نتیجه نرسید
1986: استریولیتوگرافی توسط چارلز چاک هال، بنیانگذار 3D Systems، به وجود آمد
1988: کارل دکارد حق ثبت اختراع فناوری SLS را به دست آورد
1988: اسکات کرامپ، بنیان گذار شرکت Stratasys، اختراع Fused Deposition Modelling : FDM را ثبت کرد
1999: فناوری بیوپرینت
2004: پلتفرم RepRap
3D Printing Service : خدمات آنلاین چاپ سه بعدی
2008: اولین مرکز رسمی و تجاری خدمات چاپ سه بعدی با نام Shapeways در هلند تاسیس شد. این شرکت، همانند پروژه RepRap، چاپ سه بعدی را در دسترس مخاطبان بیشتری قرار داد. با این تفاوت که، Shapeways بجای این که پرینترهای سه بعدی خود را به مردم بفروشد، به کاربران اجازه می داد فایل های سه بعدی خود را ارسال کنند، سپس این شرکت آنها را با قیمت مناسبی چاپ می کرد و برایشان می فرستاد.
| مشاوره و سفارش پرینت سه بعدی |
شرکت Shapeways به سرعت کارخانه ای را در کوئینز نیویورک راه اندازی کرد و بودجۀ چشمگیری برای سرمایه گذاری جمع کرد. همچنین به بازاری برای اشیاء سه بعدی تبدیل شد و پرینت درخواستی را ارائه کرد. شرکت Shapeways چاپ سه بعدی را در دسترس افراد غیرآشنا با این فناوری از جمله هنرمندان، معماران و سایر افراد خلاق قرار داده است و الهام بخش شرکتهای مشابه در دیگر کشورها نیز گشته است.
Kickstarter وارد می شود
2009: در این سال بنیاد Kickstarter راه اندازی شد. اگرچه این سازمان ارتباط مستقیمی با چاپ سه بعدی ندارد، اما این وبسایت مشهور جمع آوری بودجه استارت آپی به سکوی پرتاب و افزایش سرمایۀ تعدادی از پرینترهای سه بعدی مشهور تبدیل گشت. در حالی که برخی از ایده ها در این سایت می سوختند و خراب می شدند، بعضی دیگر خود را به عنوان بازیگران اصلی صنعت معرفی کردند.
مثلا، یکی از بیشترین بودجه ها برای پروژۀ پرینتر Micro در سال 2014 جمع آوری شده، یک پرینتر سه بعدی مصرفی با متریال PLA یا ABS که فیلامنت های مخصوص و استاندارد خود را دارد. سازندۀ این دستگاه درخواست 50 هزار دلار کرد و در عوض بوجۀ عظیم 3.401.361 دلاری جمع کرد.
ورود کمپانی Makerbot
پس از انقضای حق ثبت اختراع اصلی فناوری FDM، شرکت آمریکایی Makerbot بر اساس پلتفرم RepRap تاسیس شد و ورود تکنولوژی سه بعدی را به جریان اصلی تسهیل کرد.
با توجه به موفقیت پروژۀ رویایی RepRap، شرکت Makerbot در سالهای ابتدای تاسیس شروع به ساخت کیت های سفارشی برای کسانی کرد که می خواستند پرینتر سه بعدی یا محصولات چاپی خود را تولید کنند. آن زمان این شرکت توانست بیش از صد هزار کیت بفروشد.
این شرکت همچنین مجموعۀ آنلاین Thingiverse.com را هم راه اندازی کرده است (از سال 2008) که به کاربران امکان می دهد فایلهای قابل چاپ سه بعدی را ارسال و بارگیری کنند. سایت Thingiverse به بزرگ ترین انجمن چاپ سه بعدی و بایگانی فایل های سه بعدی تبدیل شد. البته شرکت Makerbot در سال 2013 با مبلغی حدود 403 میلیون دلار به شرکت Stratasys (که در بالا گفتیم موسسش آقای کرامپ مخترع تکنیک FDM بود) فروخته شد. با این حال این شرکت همچنان یکی از باکیفیت‌ترین و کاربرپسندترین چاپگرهای سه بعدی FDM جهان را برای عموم مردم تولید میکند و در ایران نیز بسیار محبوب است. سال 2022 شرکت MakerBot و UltiMaker با یکدیگر ادغام شدند.
خودروها و هواپیماهای پرینت سه بعدی
2011: اوایل همه فکر می کردند که چاپ سه بعدی فقط به تولید قطعات کوچک محدود می شود، اما وقتی که مهندسان دانشگاه یو.کِی ساوتهمپتونِ انگلستان اولین هواپیمای بدون سرنشین را طراحی و چاپ سه بعدی کردند، چشم جهانیان به امکانهای جدیدی گشوده شد. کل هزینۀ این کار کمتر از 7000 دلار بود.
شرکت Kor Ecologic، برای عقب نماندن از قافله، از یک نمونۀ اولیۀ خودرو با بدنۀ چاپ سه بعدی در همایش TEDxWinnipeg در کانادا رونمایی کرد.
در سال 2012، شرکت Filabot سیستمی برای ارتقاء پلاستیک های مصرفی ارائه کرد که به پرینترهای سه بعدی FDM و FFF اجازۀ می دهد با طیف گسترده تری از ترموپلاستیک ها کار کنند.
در سال 2014، «بنجامین کوک و مانوس تنت‌زریس» اولین پلتفرم تولید افزایشی قطعات یکپارچۀ الکترونیکی با مواد چندگانه (VIPRE) را معرفی کردند که امکان چاپ سه بعدی قطعات الکترونیکی عملیاتی تا 40 گیگاهرتز را فراهم کرد.
باراک اوباما: عاشق پرینت سه بعدی
2013: می دانید که وقتی رئیس جمهور ایالات متحده از یک تکنولوژی استفاده کند، یعنی آن تکنولوژی به جریان اصلی تبدیل شده است؟
باراک اوباما در سخنرانی «وضعیت کشور» در سال 2013 ، صنعت چاپ سه بعدی را تحسین کرد و آن را «انقلابی در شیوۀ تولید تقریباً همه چیز» خواند. در همان سال، سریال «بیگ بنگ تئوری» نیز اپیزودی در مورد تولید افزایشی پخش کرد.
نتیجه گیری:
با رشد فرایندهای مختلف افزایشی، مشخص شده که دیگر حذف فلز (ساخت کاهشی) تنها راهکار برای تولید صنعتی نیست. مثلا دهۀ 2010 اولین دهه ای بود که در آن مشخص شد برای تولید قطعات فلزی مانند براکت موتور و مهره های بزرگ دیگر نیاز اجباری به ماشینکاری سنتی وجود ندارد؛ البته که هنوز هم ریخته گری، قالب گیری و ماشینکاری در فلزکاری رواج بیشتری نسبت به تولید افزایشی دارند، اما تولید افزایشی ورود قدرتمندی داشته و با توجه به سادگی و مزایای طراحی در این فرایند، مهندسان آینده ای بسیار روشن را پیش بینی می کنند.
نکته: با رشد و توسعۀ این تکنولوژی، چندین نویسنده این گمانه زنی را مطرح کرده اند که می توان از چاپ سه بعدی برای ایجاد توسعۀ پایدار در کشورهای در حال توسعه بهره گرفت؛ آنچنانکه در یک تخمین اقتصادی با شرایط کشورهای صادرکننده نفت مشخص شد صادرات یک چاپگر سه بعدی به اندازه چند بشکه نفت میتواند درآمدزایی ایجاد کند.
نکته: اخیراً در زبان عامیانه از اصطلاح چاپ سه بعدی برای طیف گسترده ای از تکنیک های تولید افزایشی مانند Electron-Beam و Selective Laser استفاده می شود. ایالات متحده و استانداردهای جهانی از اصطلاح تولید افزایشی یا مخفف AM برای موارد گسترده استفاده می کنند.
بیشترین استفاده از فرایند چاپ سه بعدی 46 درصد (از سال 2018) به شیوۀ اکستروژن متریال یعنی FDM صورت می گیرد. در حالی که فناوری FDM بعد از دو فناوری محبوب دیگر، یعنی استریولیتوگرافی (SLA) و همجوشی لیزری (SLS)، اختراع شد، اما محبوب تر و ارزان تر از آنهاست.
خب به پایان این مقاله رسیدیم. هم اکنون با چاپ سه بعدی خانه، چاپ سه بعدی در فضا و پیشرفت هایی در زمینۀ چاپ پروتز پزشکی، پرینت سه بعدی به بیشترین تعداد مخاطب خود رسیده است و پرینترهای سه بعدی بیش از هر زمان دیگری در دسترس هستند و این روند هر ساله بیشتر نیز میگردد. بدون شک آینده جهان صنعتی در انحصار تکنولوژیهای خیره کننده 3D Printing خواهد بود.
روند تاریخی توسعه فناوریهای چاپ سه بعدی نشان میدهد دولتها و شرکتهای بزرگی که سرمایه گذاری در این ایده را جدی نگرفتند، بعدها میلیاردها دلار سودآوری و اشتغال و کارآفرینی را برای کشور خود از دست دادند. مخترعانی که در آمریکا بودند فرصت ایده پردازی، جدی گرفته شدن و جذب سرمایه را داشتند و توانستند کشور خود را در این فناوری پیشگام کنند؛ تعامل دانشگاهها و صنعت، شرایط پایدار اقتصادی که سرمایه گذاری پرریسک را توجیه میکرد و قوانین حمایتی دولتی آمریکا موجب تحکیم تجارتی چند میلیارد دلاری آینده داری از دانشجویان و کارآفرینان نخبه ای شد که در ابتدا هیچ سرمایه مادی ای نداشتند.
میخواهید کمی سرگرم شوید؟ از دوستان و خانواده خود بپرسید که فکر میکنند چاپ سه بعدی در چه زمانی اختراع شده است؟ اگر این فناوریها را میشناسند، از آنها بپرسید کدامیک اولین بوده است.
لطفا نظرات و مطالب تکمیلی درباره تاریخ پرینت سه بعدی را در بخش کامنتینگ مطرح کنید.
منابع:
- https://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
- https://www.3dsystems.com/about-us
- https://www.3dsystems.com/blog
- https://3dprint.com
- https://ultimaker.com/learn/the-complete-history-of-3d-printing
- https://www.bcn3d.com/the-history-of-3d-printing-when-was-3d-printing-invented/
- https://www.fabbaloo.com/3d-printers/how-does-3d-printing-work
- https://en.wikipedia.org/wiki/MakerBot
- https://www.makerbot.com/about-us/
- http://reprap.org
- http://printthefilm.com
- 3dfarm.net/history-of-3d-printing
- theengineeringprojects.com/2021/06/what-is-3d-printing-definition-technology-and-applications.html
- 3dprintingtoday.com/3d-printing-a-brief-history
- guinnessworldrecords.com/world-records/463935-first-3d-printing-patent
- en.wikipedia.org/wiki/Raymond_F._Jones
- protolabs.com/en-gb/resources/blog/the-evolution-of-3d-printing-from-prototype-to-revolution
- medium.com/@support_91463/the-history-of-3d-printing-370dfd10e2f4
- washingtonpost.com/local/obituaries/david-jones-british-chemist-and-court-jester-in-the-palace-of-science-dies-at-79/2017/07/31/8dfcb0c4-75fb-11e7-9eac-d56bd5568db8_story.html
- newscientist.com/article/mg23531413-500-what-did-daedalus-talk-about-in-septembers-past
- 3dpmuseum.com
- guinnessworldrecords.com/world-records/463935-first-3d-printing-patent
با سلام و تشکر از شما
کاش منابع اصلی مطلب تون رو هم ذکر می‌کردید.
تعداد منابع خیلی زیاد بود. جالب نمیشد که آورده شوند. به انگلیسی در گوگل تاریخچه پرینتر سه بعدی را جستجو نمایید منابع زیادی هست برای مطالعه.