زمینه های کاربردی و وضعیت موجود چاپ سه بعدی در مقیاس بزرگ

پرینت سه بعدی در مقیاس بزرگ شامل انواع فناوری ها و مواد است و در بسیاری از زمینه ها به کار گرفته شده است. در واقع، تعریف "بزرگ" نسبی است و هیچ استاندارد ثابتی وجود ندارد. به طور کلی، خانه ها، قایق ها و اثاثیه بزرگ همگی اقلام بزرگی هستند. چاپ سه بعدی در مقیاس بزرگ به تدریج در بازار به جریان اصلی تبدیل شده است زیرا تولید کنندگان، هنرمندان و مشاغل چاپ سه بعدی را برای رفع نیازهای محصول در مقیاس بزرگ انتخاب می کنند. توسعه دهندگان گام به گام اندازه پرینترهای سه بعدی را شکسته، از مرزهای فنی عبور می کنند و محصولات بیشتر و بزرگتری را چاپ می کنند. پس زمینه های کاربردی پرینت سه بعدی در مقیاس بزرگ چیست؟ پرینترهای سه بعدی بزرگ چطور؟

اندازه محصول اغلب به تکنولوژی و مواد بستگی دارد و لازم است بین دقت و اندازه تعادل پیدا کرد که انتخاب چاپگر سه بعدی مناسب را به یک عامل کلیدی برای موفقیت تبدیل می کند. نرم افزار همچنین نقش مهمی در ایجاد محصولات بزرگ ایفا می کند، زیرا بهترین راه برای چاپ اشیاء بزرگ اغلب چاپ قطعات و مونتاژ آنها است. محصولات پرینت سه بعدی در مقیاس بزرگ شامل موارد زیر است اما محدود به آنها نیست:
●نمایش، لوازم و علائم
● خانه ها و عناصر معماری
●قطعات صنعتی و فلزی
●مبلمان و وسایل نقلیه

△مرکز تنوع زیستی Naturalis در هلند آزمایشگاه چاپ سه بعدی خود را دارد و از دو چاپگر سه بعدی Builder Extreme 1500 Pro برای ساختن کپی از Tyrannosaurus rex استفاده کرده است.

●موزه دایناسور بدون رکس تیرانوزاروس مسلما موزه واقعی نیست! موزه دایناسور ژاپن بر اساس اسکن سه‌بعدی فسیل T. rex واقعی، نسخه‌ای به طول 12-متر و ارتفاع 5- متر را به‌عنوان بخش بزرگی که با استفاده از دو Builder Extreme در مقیاس بزرگ چاپ شده بود، چاپ کرد. چاپگرهای سه بعدی با استفاده از فیلامنت پلاستیکی PLA.

● متصدیان موزه، طراحان صحنه و لوازم فیلم، پارک‌های تفریحی، تولیدکنندگان نمایشگر کنفرانس و نمایشگاه جهانی و غیره نیز چاپگرهای سه بعدی با فرمت بزرگ را برای سرعت بخشیدن به تولید انتخاب می‌کنند. علاوه بر مزیت های سرعت و هزینه، نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) نیز نقش تاثیرگذاری عالی دارد، دیگر نیازی به مجسمه سازی مصنوعی یا ایجاد ثانویه ندارد. علاوه بر این، مواد بسیار متنوعی در دسترس هستند، از فوم فوق سبک گرفته تا نایلون بسیار بادوام پر از فیبر کربن.

△این هنرمند روی یک 17-ماکت پرینت سه بعدی بلند پا از دیوید میکل آنژ که برای اکسپو 2020 دبی بازسازی شده است، گچ می‌پوشاند.

●این دیوید میکل آنژ با چاپ سه بعدی 17-پایی در نمایشگاه اکسپو 2020 دبی برای ترویج گردشگری در فلورانس به نمایش گذاشته شد. برای یک چاپگر سه بعدی پلیمری به اندازه کافی بزرگ غیرممکن است که یک ماکت را با جزئیات بسیار ظریف تولید کند، بنابراین به 14 قسمت قابل چاپ تقسیم شد و سپس با دست مونتاژ شد و قسمت بیرونی مرمری با دست رنگ آمیزی شد. در داخل دیوید پرینت سه بعدی یک ساختار مشبک وجود دارد که به حفظ وزن آن فقط در 550 کیلوگرم کمک می کند، اما قدرت بسته بندی و ارسال مناسب را دارد.

△Styles Werbetechnik آلمان از چاپگرهای FDM در مقیاس بزرگ Tractus3D برای تولید حروف علامت روشن سریعتر از روش های سنتی استفاده می کند.

●Styles Werbetechnik، یک شرکت آلمانی تولید علائم، فناوری چاپ سه بعدی در مقیاس بزرگ را برای ساخت تابلوهای فضای باز انتخاب کرد. این شرکت نه تنها می‌خواست تولید را تسریع بخشد، بلکه می‌خواست به جای تکیه بر طرح‌های استاندارد حروف تولیدکنندگان خارج از کشور، حروف‌سازی را در داخل انجام دهد. این شرکت می گوید که استفاده از چاپ پلیمری FDM امکان طراحی نامحدودی را برای ساخت حروف کانتور ارائه می دهد. برای مثال، عمق حروف برای تابلوهای نورانی در روش‌های سنتی به حداقل 60 میلی‌متر محدود می‌شود، اما در چاپ سه‌بعدی می‌توان آن را به 30 میلی‌متر کاهش داد. آنها همچنین می‌توانند عصرها و آخر هفته‌ها را اجرا کنند و زمان تولید را تسریع کنند، زیرا نیازی به مراقبت از چاپگرهای سه بعدی در طول فرآیند ندارند.

△موزه اسمیتسونیان 120 مجسمه در اندازه واقعی از رهبران زن در زمینه STEM را چاپ کرد.

در سال 2022، مؤسسه اسمیتسونیان در واشنگتن دی سی نمایشگاهی را برای تجلیل از دانشمندان زن افتتاح کرد که شامل 120 مجسمه با اندازه واقعی چاپ سه بعدی بود. این مجموعه که "IfThenSheCan - The Exhibit" نام دارد، بزرگترین مجموعه مجسمه های زن است که هر کدام با استفاده از فناوری FDM چاپ شده اند.

خانه ها و عناصر معماری

وقتی صحبت از پروژه های پرینت سه بعدی در مقیاس بزرگ می شود، البته پروژه های مسکن ضروری هستند. در حالی که تعداد کمی از ساختمان ها به طور انحصاری پرینت سه بعدی هستند (اغلب به حمایت های ساختاری مانند آرماتورهای فولادی یا سازه های چوبی سنتی نیاز دارند یا از آنها استفاده می شود)، چاپ سه بعدی به دلیل سرعت، صرفه جویی در نیروی کار و دوام ساختاری می تواند مورد استفاده قرار گیرد. برای خانه و هتل. انتظار می رود بازار جهانی پرینت سه بعدی ساخت و ساز در طول پنج سال آینده نزدیک به 20 درصد رشد کند.

●ساختمان دو طبقه در تصویر زیر به طور مشترک توسط شرکت های طراحی و مهندسی معماری Hannah و Cive و Peri 3D Construction تکمیل شده است که چاپگرهای سه بعدی را ارائه کرده اند. خانه 4،000-فوت مربعی به یک پیشنهاد دهنده ناشناس فروخته شده است و در مجموع دو سال طول می کشد تا تکمیل شود. چاپگر دروازه ای پری Cobod Bod2، چاپگر پیشرو در معماری چاپ سه بعدی، برای اکسترود کردن مخلوط های بتن تخصصی برای ایجاد راه پله ها و سایر ساختارهای کاربردی استفاده می شود و در مجموع 330 ساعت در این پروژه چاپ شد.

تصویر
△اولین خانه دو طبقه کاملاً سه بعدی در ایالات متحده در هیوستون واقع شده است.

●علاوه بر ساخت ساختمان ها، پرینترهای سه بعدی به طور گسترده برای عناصر معماری، از جمله نماها و ویژگی های تاریخی برای بازسازی، و برای طراحی داخلی، از جمله دیوارها، نمایشگرها و جداکننده های اتاق استفاده می شود. حتی کف های پرینت سه بعدی، پل های پرینت سه بعدی و صخره های مرجانی مصنوعی چاپ سه بعدی نیز وجود دارد. مصالح بتن مانند تنها گزینه در ساخت و ساز نیستند، پلیمرها نیز نقش دارند. Branch Technology در پرینت سه بعدی در مقیاس بزرگ با استفاده از اکسترودرهای پلیمری روباتیک تخصص دارد و همه چیز را از مجسمه ها گرفته تا زیستگاه های فضایی ایجاد می کند. سیستم پانل ساختمانی نوآورانه آن به نام BranchClad فرصت های جدیدی را برای نمای ساختمان باز می کند. فقط به سطح ماه نصب شده در سمت عملیاتی کمپ فضایی جدید مرکز فضایی و موشکی ایالات متحده (در زیر) نگاه کنید. این نماها که با استفاده از اسکن های دیجیتالی ماه ایجاد شده اند، وفاداری شگفت انگیزی را به سطح ماه نشان می دهند. قالب مثبت الگوی قمری به صورت سه بعدی پرینت شد و سپس با یک ماده گچبری رنگ آمیزی شد.

تصویر
△دیوار ماه جدید پرینت سه بعدی Branch Technology در کنار عملیات جدید کمپ فضایی مرکز فضایی و موشکی ایالات متحده نصب شده است.

قطعات صنعتی و فلزی

تصویر
△پرینتر سه بعدی فلزی Stargate از Relativity Space

● سازنده راکت Relativity Space ادعا می کند موشک پرینت سه بعدی Terran 1 بزرگترین سازه تک پرینت سه بعدی است که تا کنون 35.2 متر ارتفاع و 2.3 متر قطر دارد. موشک نسل بعدی این شرکت، Terran R، به همان اندازه بزرگ است. هر دو با استفاده از چاپگر سه بعدی Stargate این شرکت و با استفاده از فناوری رسوب انرژی هدایت شده رباتیک بر روی فلز اختصاصی چاپ شده اند. Relativity Space گفت توانایی موشک برای مقاومت در برابر استرس پرتاب یک پیروزی بزرگ است که یکپارچگی ساختاری روش پرینت سه بعدی فلزی آن را نشان می دهد.

تصویر
△ملکه ماکسیما هلند پل پرینت سه بعدی فلزی MX3D را رسما افتتاح کرد.

●پل فلزی روی کانال آمستردام که توسط آزمایشگاه Joris Laarman طراحی شده است توسط MX3D با استفاده از فناوری ساخت افزودنی قوس رباتیک چاپ شده است. 12-پل هوشمند فولاد ضد زنگ به طول یک متر شامل یک شبکه حسگر تعبیه شده برای کمک به محققان آمستردام برای مطالعه نقش سیستم های اینترنت اشیا در محیط ساخته شده است. این سازه که با استفاده از طراحی مولد و تکنیک های بهینه سازی توپولوژی توسعه یافته است، بسیار سبک وزن است. پل MX3D همچنین کاربرد پرینت سه بعدی فلزی را در هنر و مجسمه سازی به نمایش می گذارد.

●در زیر یکی دیگر از کارهای چاپ MX3D است که توسط هنرمندان Mariagrazia Abbaldo و Paolo Albertelli در تورین، باغ سلطنتی ایتالیا نصب شده است. این مجسمه 880 کیلوگرمی که «گذرگاه نهنگ» نام دارد، باله‌های نهنگی را نشان می‌دهد که از روی زمین می‌گذرد. تمام مدل های ساخته شده در این پروژه به صورت سه بعدی پرینت شدند.

تصویر
△ "گذر نهنگ" توسط ماریاگرازیا آببالدو و پائولو آلبرتلی طراحی شد و توسط MX3D چاپ سه بعدی شد.

●پرینت سه بعدی فلزات بزرگ را می توان در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار داد، با شرکت هایی که در صنایع دریایی، نفت و گاز و تجهیزات ساختمانی سنگین می توانند قطعات بزرگ را با سرعت بیشتری و اغلب در محل تولید کنند. به عنوان مثال، ملخ دریایی زیر با استفاده از فناوری WAAM برای تولید شکلی نزدیک به شبکه به صورت سه بعدی پرینت شد، که سپس با تلورانس های سخت تر ماشین کاری شد. در این صورت، WAAM جایگزین آهنگری می شود و می توان با استفاده از مواد اولیه کمتر، به محل مورد نیاز آن نزدیک تر انجام داد.

تصویر
△این ملخ دریایی یکی از اولین نمونه های کاربرد صنعتی فناوری WAAM است

●پرینت سه بعدی فلز نیز می تواند وزن قطعات را کاهش دهد، زیرا چاپ سه بعدی می تواند اشکالی تولید کند که با آهنگری یا ریخته گری به دست نمی آیند. به گفته شرکت سازنده چاپگر SLM Solutions، بخش ارابه فرود هواپیما (در زیر)، با ابعاد 455 x 295 x 805 میلی‌متر، اولین قطعه چاپی سه بعدی همجوشی بستر لیزری پودری در جهان است. این قطعه نه تنها 15 درصد سبک تر از قطعات آهنگری سنتی است، بلکه این فناوری زمان چرخش را نیز کاهش می دهد. از آنجایی که این قطعه بخشی از سیستمی است که بارها را از چرخ ها به ساختار هواپیما منتقل می کند، برای استحکام از تیتانیوم ساخته شده است. انتخاب مواد به قطعه خواص مکانیکی قوی می بخشد و در عین حال بدون نیاز به پوشش مقاوم در برابر خوردگی است که با استفاده از چاپگر چهار لیزری SLM 800 3D چاپ می شود. "تولید افزودنی با تحویل سریع قطعات برای آزمایش به صرفه جویی در زمان در مرحله صلاحیت و صدور گواهینامه کمک می کند. ما قادریم قطعات اصلی را ظرف چند روز تولید کنیم، استفاده از فرآیند آهنگری چندین ماه طول می کشد."

تصویر
△ قطعات ارابه فرود جلو با چاپ سه بعدی برای جت های شخصی

چاپ سه بعدی قالب های بزرگ برای ریخته گری قطعات فلزی یکی از کاربردهای مهم چاپ سه بعدی در مقیاس بزرگ است. برای قطعات صنعتی فلزی که باید ریخته گری شوند، مرحله ساخت قالب پر زحمت و زمان بر است. با چاپگرهای سه بعدی شنی، تولیدکنندگان می توانند قالب ها و ریخته گری های شن و ماسه را مستقیماً بدون نیاز به مدل های کامل چاپ کنند. VX4000 Voxlejet بزرگترین چاپگر سه بعدی ریخته گری شن و ماسه در جهان است و از فناوری بایندر جت برای تولید نه تنها قالب های عظیم، بلکه هزاران مورد از آنها در یک فرآیند چاپ استفاده می کند.

تصویر
△چاپگر VX4000 Voxlejet (منبع: Voxeljet)

مبلمان و وسایل نقلیه

تصویر
△صندلی که به صورت یک تکه با استفاده از چاپگر سه بعدی WASP ساخته شده است.

●طراحان داخلی نیز به تدریج چاپ سه بعدی با فرمت بزرگ را برای تحقق طرح های پیچیده و استفاده از مواد منحصر به فرد انتخاب می کنند. پلیمرها، به ویژه پلاستیک های بازیافتی، رایج ترین مواد مورد استفاده برای مبلمان پرینت سه بعدی هستند، اما می توان از بتن و فلز نیز استفاده کرد. این میز مدرسه به اندازه کودک در گامبیا (در زیر) نمونه ای از چاپ سه بعدی است که به یک نیاز عملی پاسخ می دهد. سبک و بادوام، این طرح را می توان از پلاستیک بازیافتی تولید کرد، همچنین مشکل زباله های پلاستیکی را حل می کند. این مدل بر روی یک چاپگر سه بعدی مگنوم در صنعت سوئد در پلاستیک PETG چاپ شد که معمولاً در بطری های نوشیدنی استفاده می شود.

تصویر
△ نمونه اولیه میز برای آزمایش مفهوم مبلمان مدرسه پرینت سه بعدی در گامبیا، احتمالاً با استفاده از پلاستیک بازیافتی

●نمونه‌های بی‌شماری از صندلی‌ها و میزهای پرینت سه‌بعدی زیبا، از جمله مجموعه دوست‌داشتنی NYXO Visionary Design (زیر) از میزهای قهوه ساخته شده از فوم سبک PLA روی چاپگر سه بعدی Colossus XS وجود دارد.

تصویر
△سری میز مجسمه Primavera توسط شرکت معماری و طراحی محصول مستقر در دبی NYXO Visionary Design طراحی شده و با استفاده از ColorFabb PLA روی چاپگر Colossus XS چاپ شده است (منبع: Colossus)

قایق پرینت سه بعدی که در تصویر زیر مشاهده می شود با طول 7.72 متر که به عنوان بزرگترین قایق پرینت سه بعدی و بزرگترین شیء چاپ سه بعدی فیزیکی تا به امروز وارد کتاب رکوردهای جهانی گینس شده است. این قایق در سال 2019 توسط مرکز سازه‌ها و کامپوزیت‌های پیشرفته در دانشگاه مین چاپ شد. از پلاستیک و سلولز چوب ساخته شده است. پرینت سه بعدی فقط 72 ساعت طول کشید و 2.2 تن وزن دارد.

تصویر
△یک قایق کاملاً سه بعدی با اندازه واقعی که توسط دانشگاه مین تولید شده است

●تولیدکنندگان دوچرخه همچنین فناوری چاپ سه بعدی را برای حل مشکلات جوشکاری در زنجیره تولید خود انتخاب کرده اند. یک قاب پرینت سه بعدی یک تکه نه تنها در زمان صرفه جویی می کند، بلکه درجات جدیدی از آزادی طراحی را امکان پذیر می کند که توسط اتصالات ساختاری محدود نمی شود. این دوچرخه ساز مدل هایی در کامپوزیت های تیتانیوم، فولاد و فیبر کربن تولید کرده است. دوچرخه الکترونیکی با قاب فولادی زیر از Urwahn با استفاده از پرینت سه بعدی فلزی برای دستیابی به تعادل در فرم، عملکرد، ساختار سبک وزن و مواد به صورت انبوه تولید شد. به گفته این شرکت، الاستیک‌های ویژه عقب، چرخ‌های عقب را به حالت تعلیق در می‌آورند و نوع جدیدی از راحتی سواری ایجاد می‌کنند، در حالی که قاب فولادی موتور و باتری را یکپارچه می‌کند.

تصویر
△دوچرخه برقی فریم فولادی پرینت سه بعدی Urwahn

نکات طراحی و نرم افزار برای چاپ های بزرگ

تصویر
△ 30-مجسمه چاپ سه بعدی با ارتفاع پا از 365 قطعه پرینت سه بعدی مجزا مونتاژ شده است و چاپ هر قسمت روی چاپگرهای D 28 ساعت طول می کشد.

چاپ سه بعدی یک تکه اغلب ایده آل است زیرا کار مونتاژ را حذف می کند، تولید را سرعت می بخشد و یکپارچگی ساختار را بهبود می بخشد زیرا درز یا سطحی وجود ندارد. با این حال، اگر جسم چاپ شده آنقدر بزرگ است که باید آن را به چند قسمت تقسیم کنید، چگونه مدل را به چاپ های سه بعدی تقسیم می کنید؟

●برای تکمیل پرینت سه بعدی بزرگ، می توانید مدل را مستقیماً در نرم افزار CAD (مانند Fusion360 یا Solid Works) تقسیم کنید، که این مزیت را دارد که به شما امکان می دهد برخی از کمک های مونتاژ و تراز، مانند میخ، برآمدگی و شیار، لب، را طراحی کنید. یا سوراخ ها و شکاف ها؛

●اگر فقط می خواهید اجسام بزرگ را به هم بچسبانید یا از پیچ استفاده کنید (فقط برای مواد قوی تر مانند نایلون پر از فیبر کربن)، می توانید عملیات شکاف را به یک ابزار برش دهنده مانند Cura بسپارید. تقسیم بندی سریع و خودکار با استفاده از ابزار مش Cura انجام می شود.

● هنگام تقسیم‌بندی دستی مدل دیجیتال، از رفتن مستقیم به قسمت‌های جزئیات یا مناطق پشتیبانی خودداری کنید. از شکاف در ضعیف ترین نقطه طراحی خودداری کنید،

یعنی مناطقی که بسیار نازکتر از بقیه مدل هستند.

پرینتر سه بعدی با اندازه بزرگ بالا

تصویر
△چاپگر سه بعدی GEFERTEC Arc60x WAAM Metal (منبع: Gefertec)

اگر می خواهید از چاپگر سه بعدی برای ایجاد قطعاتی مانند قطعات پلاستیکی بزرگ، پایه ها و علائم استفاده کنید، می توانید از چاپگرهای سه بعدی رشته ای با فرمت بزرگ استفاده کنید که در اصل همان چاپگرهای فیلامنت رومیزی هستند. برخی از چاپگرها می توانند با مواد بادوام درجه مهندسی چاپ کنند.

اگر می خواهید بزرگتر از بزرگترین چاپگرهای FDM (به علاوه 1600 x 1200 x 1300)، یک چاپگر سه بعدی بازوی رباتیک، یک بازوی رباتیک با سر اکسترودر که به انتهای آن متصل است، نیاز دارید. آنها را می توان روی ریل یا دروازه های بالای سر قرار داد، بنابراین در تئوری، چاپ به اندازه ریل های موجود امکان پذیر است. رکورد جهانی گینس برای بزرگترین چاپگر سه بعدی یک مجموعه سر اکستروژن دروازه ای در دانشگاه مین است که می تواند به 30،{9}} x 6700 x 3،000 میلی متر برسد. با این حال، این چاپگر برای فروش نیست. یکی دیگر از مزایای چاپگرهای بازوی رباتیک این است که اغلب با استفاده از پلیمرها به شکل گلوله اقتصادی تر چاپ می کنند

چاپ‌های سه بعدی رزین معمولاً نمی‌توانند بزرگتر از 1،000 میلی‌متر باشند، به استثنای چند مورد مانند Kings 1700 Pro و 3D Systems ProX 950 به دلیل زمان‌های چاپ بسیار طولانی. رزین معمولا بیشتر از FDM طول می کشد.

تصویر
△ چاپگر سه بعدی بتن با اندازه متوسط ​​در کاربردهای هنری با فرمت بزرگ برتری دارد

پرینترهای سه بعدی بتنی نه تنها برای ساخت خانه، بلکه برای هر نوع قالب بتنی، مبلمان، ساخت و ساز و حتی گلدان ها و مجسمه های گیاهی، بازار پررونقی هستند. پرینت سه بعدی قطعات فلزی بسیار بزرگ اغلب با تکنیک چاپ سه بعدی رسوب دهی مستقیم انرژی مانند تولید افزودنی قوس الکتریکی (WAAM) به دست می آید. در این روش ها از یک سر پرینت سه بعدی نصب شده بر روی یک بازوی رباتیک استفاده می شود که دسترسی وسیعی دارد و فقط با اندازه بازو محدود می شود.