مقدمه
پرینتر سه بعدی، یکی از نوآوری‌های برجسته در دنیای فناوری و تولید است که توانسته است به سرعت جایگاه خود را در صنایع مختلف پیدا کند. این فناوری، به ما این امکان را می‌دهد که اشیاء را به صورت لایه به لایه و با دقت بالا تولید کنیم. تاریخچه پرینتر سه بعدی به سال‌ها پیش بازمی‌گردد و مسیر تکامل آن پر از نوآوری‌ها و پیشرفت‌های چشمگیر است. چاپ سه بعدی از آن زمان که شروع شد، یک مسیر طولانی را پیموده است. درست است که این صنعت در سال‌های اخیر پیشرفت‌های چشمگیری داشته است، اما سرچشمه آن به یک قرن پیش برمی‌گردد.
از همان روزهای اولیه، چاپ سه بعدی، چندین فناوری چاپ را دنبال می‌کرد. از معروف‌ترین فناوری‌های چاپ می‌توان به فناوری FDM (فیلامنتی)، SLA (استریولیتوگرافی) و SLS (پرینت فلز) اشاره کرد. اولین اوج پرینتر سه بعدی مربوط به زمانی بود که هر یک از فناوری‌ها توسعه، ثبت اختراع و علامت تجاری شدند. جهش بعدی در پرینتر سه بعدی زمانی رخ داد که این پتنت‌ها منقضی شدند و افراد بیشتری توانستند با این فناوری آزمایش کنند. این دوره زمانی بود که چاپ FDM محبوبیت زیادی پیدا کرد که بسیاری از افراد به اشتباه آن را منشا چاپ سه بعدی می‌دانند.
با توجه به روند رو به رشد این فناوری، بررسی تاریخچه پرینتر سه بعدی می‌تواند به ما کمک کند تا بهتر درک کنیم که چگونه این ابزار توانسته است زندگی ما را تغییر دهد و چه چشم‌اندازهایی در آینده برای آن وجود دارد.
ایده پرینتر سه بعدی
در بررسی تاریخچه پرینتر سه بعدی، ایده چاپ سه بعدی به سال 1945 میلادی برمی‌گردد. موری لینستر، نویسنده داستان‌های علمی تخیلی برای اولین بار این فناوری را با دقت شگفت‌انگیزی در داستان کوتاه خود به نام "چیزها عبور می‌کند" توصیف کرد. او ماشینی را تصور کرده بود که می‌توانست نقاشی‌های او را بگیرد و با بازوی متحرک، با استفاده از پلاستیک ذوب شده، اشیاء سه بعدی را بسازد. حالا تنها نیاز بود تا یک نفر ایده اش را به واقعیت تبدیل کند.
مدتی طول کشید تا این ایده فراتر از داستان‌های خیالی عمل کند. در سال 1971، یوهانس اف. گوتوالد که حق اختراع یک اکسترودر فلزات مایع را ثبت کرد، توانست این ایده را کمی به واقعیت نزدیک کند. او تصور می‌کرد که این اکسترودر دقیقا مانند یک چاپگر اداری باشد و تفاوت در نحوه چاپ آنها باشد. متاسفانه گوتوالد نتوانست این فناوری را قبل از انقضای حق ثبت اختراع، به واقعیت تبدیل کند. نام او اغلب به عنوان یکی از پدران چاپ سه بعدی، فراموش شده است.
با اولین پتنت بدون نتیجه، دنیای پرینت سه بعدی چیزی جز ایده باقی نماند. در این مرحله بود که دیوید جونز همراه با ستون محبوب خود "Daedalus" در مجله New Science آمد. ایده‌های جونز چشمگیر بود. او درک زیادی از فیزیک، شیمی و مهندسی داشت و تصویر طنز آمیز او از علم، نسل‌های متفکر جوان را الهام بخشید تا خلاقیت او را در آزمایشگاهایشان تقلید کنند.
جونز در سال 1974 مقاله‌ای منتشر کرد که در آن او فرآیند استریولیتوگرافی را کاملا توصیف می‌کرد. متاسفانه این ایده برای جونز نسبت داده نشد زیرا پیشنهاد او ساده بود، اما او هنوز هم شایسته ذکر در تاریخچه پرینتر سه بعدی است که از ایده به واقعیت تبدیل شده است.
کمبود بودجه
دهه 1980 زمانی است که در تاریخچه پرینتر سه بعدی تحول ایجاد کرد و ایده‌های چاپ سه بعدی به واقعیت تبدیل شدند. متأسفانه، نیمه اول دهه، مملو از پتنت‌های امیدوارکننده از سوی سرمایه‌گذارانی بود که یا سرمایه آنها تمام شد یا توسط گروه‌هایی تأمین مالی شدند که نتوانستند برنامه‌های تجاری را ببینند که بتواند سرمایه‌شان را جبران کند.
اولین پتنت برجسته این دهه توسط مخترع ژاپنی دکتر هیدئو کوداما در سال 1981 ثبت شد. او اختراع خود را به عنوان "دستگاه نمونه سازی سریع" توصیف کرد. مهمتر از آن، او اولین کسی بود که برای ثبت اختراعی که فرآیند پخت پرتو لیزر را توصیف می کرد، درخواست داد. متأسفانه، حق اختراع او هرگز به پایان نرسید، زیرا او یک سال پس از ثبت اختراع، تأمین مالی آن را رها کرد.
بعد از کوداما، سه نفر از مخترعان فرانسوی بودند که در سال 1984 ثبت اختراع را ارائه کردند. ژان کلود آندره، اولیویه دو ویت و آلن لومهوته افرادی بودند که برای شرکت فناوری فرانسوی آلکاتل و مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه (CNRS) کار می کردند. آنها راه دکتر کوداما را در مورد "دستگاه نمونه سازی سریع" برای تولید قطعات پیچیده دنبال کردند. متأسفانه، کارفرمایان آنها در Alcatel و CNRS به این فناوری علاقه مند نبودند و این سه نفر پس از درخواست برای ثبت اختراع نتوانستند بودجه پروژه خود را تامین کنند و آنها را مجبور به کنار گذاشتن این ایده کردند.
اختراع استریولیتوگرافی (SLA)
در سال 1980 تحول عظیمی در تاریخچه پرینتر سه بعدی رخ داد و سالی موفقیت‌آمیز برای صنعت چاپ سه بعدی به شمار می‌آید. اداره ثبت اختراعات ایالات متحده، به بیل مسترز اولین حق ثبت اختراع تایید شده را برای هر نوع فناوری که اکنون زیر گروه چاپ سه بعدی قرار می گیرد، اعطا کرد. مسترز در نهایت کار خود را در زمینه چاپ سه بعدی (پس از تولید یک ماشین کار در اوایل دهه 1990) رها کرد تا بر تجارت رو به رشد خود در کایاک تمرکز کند.
چارلز چاک هال، پدر چاپ سه بعدی در سال 1984 یک حق اختراع برای یک سیستم استریولیتوگرافی (SLA) به ثبت رساند. ایده هال این بود که از لامپ های UV شرکتش برای چاپ لایه به لایه رزین حساس به نور برای ایجاد قطعات سفارشی کوچک استفاده کند. حق اختراع او در سال 1986 تایید شد و او شرکت خود را راه اندازی کرد. دو سال بعد، آنها اولین چاپگر سه بعدی پیشگامانه در دسترس تجاری SLA را در سال 1988 منتشر کردند. فراتر از خود چاپگر فوق العاده، هال همچنین فرمت فایل STL و فرآیند برش دیجیتال را توسعه داد که تا به امروز برای صنعت چاپ سه بعدی امری حیاتی است.
سایر روشها
در تاریخچه پرینتر سه بعدی، چاپ SLA اولین موردی بود که وارد بازار شد، اما چاپ FDM و SLS خیلی عقب نبودند. هر دو اولین پتنت تایید شده خود را در سال 1988 ثبت کردند. تف جوشی لیزری اولین بار توسط دانشجوی دانشگاه کارل دکارد در تگزاس اختراع شد. چاپگر او در آن زمان فقط می‌توانست قطعات اولیه پلاستیک تولید کند. با این حال، این ایده وجود داشت، و اجرا به زودی به چاپ SLS که امروزه می شناسیم تبدیل شد.
همچنین در سال 1988 ثبت اختراع برای ماشین مدلسازی رسوب ذوب شده توسط اسکات کرامپ، یکی از بنیانگذاران Stratasys، ثبت شد. تا سال 1992 طول کشید تا حق ثبت اختراع اعطا شود، اما Stratasys به سرعت توانست با چاپگرهای جدید FDM خود پیشتاز چاپ سه بعدی شود. در سال 1993، پروفسور ام آی تی، امانوئل ساکس، اصطلاح "چاپ سه بعدی" را به فرهنگ لغت معرفی کرد و صنعتی که قبلا به عنوان "نمونه سازی سریع" شناخته می شد، هرگز به گذشته نگاه نکرد.
گسترش بازار پرینتر سه بعدی
در تاریخچه پرینتر سه بعدی، اکنون دورانی رسیده است که بیشتر مردم در مورد پرینتر سه بعدی یاد می‌گیرند. اتفاقات مختلفی، باعث این گسترش شده‌اند. Zcrop یک چاپگر سه بعدی چند رنگی را در سال 2000 معرفی کرد. آنها فناوری چاپ جوهرافشان را که برای چاپگرهای تمام رنگی خانگی رایج است تغییر کاربری دادند و آن را برای چاپ قطعات سه بعدی رنگارنگ تطبیق دادند.
قدم مهم بعدی در سال 2004 توسط Adrian Boeyer رخ داد. هدف او استفاده از پرینترهای سه بعدی برای تولید پرینترهای سه بعدی بیشتر و در نتیجه ساخت ماشین‌های خود تکثیرشونده بود. این ایده چند سالی با واقعیت فاصله داشت، اما به سرعت در جامعه چاپ سه بعدی، محبوبیت پیدا کرد. این صنعت در سال 2006 یک جهش بزرگ دیگر را انجام داد. با معرفی Objet اولین چاپگر سه بعدی رومیزی تجاری در دسترس، آغازگر دوره جدیدی از علاقه مندان در خانه بود که قادر به انجام آزمایش چاپ سه بعدی بودند.
دانشگاه کرنل با معرفی اولین چاپگر مواد غذایی سه بعدی در سال 2011 به یک پیشرفت علمی دست یافت. پیشرفت‌های فناوری به سرعت توجه بسیاری از شرکت‌ها را جلب کرد و چندین شرکت بزرگ بخش‌های چاپ سه‌بعدی را در این کشور معرفی کردند.
پایان ثبت اختراعات
دهه 2000 پایان یک دوره در تاریخچه پرینتر سه بعدی محسوب می‌شود. پتنت‌هایی که فناوری‌های غالب را در دهه‌های 80 و 90 راه‌اندازی کردند منقضی شدند. اولین پتنتی که به ثبت رسید مربوط به فناوری SLA در سال 2009 بود، اختراعی که چاک هال برای عرضه چاپگر SLA-1 خود به بازار ثبت کرده بود.
با پایان یافتن این پتنت ها در سال 2009، رقبا به سرعت با کیت های چاپگر DIY جدید وارد بازار شدند. این کیت ها با نادیده گرفتن بازار صنعتی تجاری که Stratasys روی آن تمرکز کرده بود، با هزینه ای بسیار کمتر از قبل در دسترس بودند. برجسته ترین ارائه دهندگان کیت DIY BfB Rapman و Makerbot بودند که هر دو محصولات FDM خود را در سال 2009 کمی پس از انقضای حق ثبت اختراع معرفی کردند.
کمی بیشتر طول کشید تا چاپگرهای SLA توجه علاقه‌مندان را به خود جلب کنند، اما Formlabs توانست در سال 2012 با راه‌اندازی اولین چاپگر SLA مقرون‌به‌صرفه برای مصرف‌کنندگان، Form 1، به این بازار راه پیدا کند.
دوران اختراعات تقریباً در سال 2014 با انقضای پتنت های SLS به پایان رسید. اکنون، فناوری هر سه شکل اصلی پرینت سه‌بعدی در اختیار عموم قرار گرفته است و می‌توان آنها را آزمایش کرد و یا آنها را بهبود بخشید.
در تاریخچه پرینتر سه بعدی، چاپگرهای سه بعدی توانستند به حوزه پزشکی راه پیدا کنند. یکی از اولین پیشرفت‌های پزشکی جالب، کاشت اولین اندام رشد یافته در آزمایشگاه، مثانه انسان در سال 1999 بود. سلول‌های خود بیماران در اطراف داربست‌های زیست تخریب‌پذیر پرینت سه‌بعدی رشد کردند، سپس حدود هشت هفته بعد در بیماران کاشته شدند. محققان دانشکده پزشکی دانشگاه ویک فارست نتایج خود را در سال 2006 منتشر کردند و نتایج بهتری را نسبت به بهترین درمان‌ها در آن زمان گزارش کردند.
نوآوری‌ها همچنان ادامه داشتند. در سال 2007، اولین فنجان پرینت سه بعدی هیپ در یک بیمار کاشته شد و از آن زمان تاکنون، بیش از 100000 بیمار از این تکنیک بهره مند شده اند. از سال 2008، محققان بیمارستان ژرژ پمپیدو در دانشگاه دکارت پاریس با Materialize برای توسعه و پرینت سه بعدی ایمپلنت های مخصوص بیمار برای جایگزینی استخوان های آسیب دیده صورت کار می کنند. و در سال 2011، جهان شاهد اولین بازسازی فک با چاپ سه بعدی بود.
جنجال در پرینتر سه بعدی
با انقضای پتنت های Stratasys، این شرکت در سال های اخیر به استراتژی جدیدی برای تسلط بر صنعت چاپ سه بعدی روی آورده است. در سال‌های 2012 و 2013، قراردادهایی با استراتاسیس برای خرید Objet و Makerbot انجام شد، شرکت‌های پیشگامی که قبلاً به خاطر نقش‌هایشان در تاریخچه پرینتر سه بعدی اشاره کردیم.
این تنها عنوان بحث برانگیز در سال 2013 نبود. پرینت سه بعدی نیز پس از چاپ موفقیت آمیز اولین اسلحه به صورت سه بعدی به جریان اصلی تبدیل شد و هنگامی که طرح ها به صورت آنلاین در دسترس قرار گرفتند، بحث های بسیاری را برانگیخت.
این جنجال پس از استقبال باراک اوباما از فناوری و بحث در مورد چاپ سه بعدی در سخنرانی خود در سال 2013 بیشتر شد. پرینت سه بعدی به طور رسمی جریان اصلی بود و فناوری و اصطلاحات وارد فرهنگ لغت عمومی شد.
در زمینه سلامت، جریان اصلی پرینترهای سه بعدی به ظهور اندام های مصنوعی پرینت سه بعدی منجر شد. همکاری بین ایوان اوون و ریچارد ون آس برای ایجاد جایگزینی کاربردی انگشت، زمانی که اوون شروع به تحقیق در مورد چاپ سه بعدی برای نمونه اولیه یک دست مصنوعی برای یک کودک کرد، مسیر را تغییر داد.
با دو چاپگر Makerbot اهدایی، اوون اولین دست مکانیکی چاپ سه بعدی را در اواخر سال 2012 ایجاد کرد و در اوایل سال 2013، طرح ها در Thingiverse به اشتراک گذاشته شد.
سفر پرینتر سه بعدی
در سال 2014 پرینتر سه بعدی به معنای واقعی کلمه این دنیا را ترک کرد و ناسا چاپگر را به فضا برد و با موفقیت از آن در ایستگاه فضایی بین المللی استفاده کرد. در سال 2024، به لطف کمک آژانس فضایی اروپا، اولین چاپگر سه بعدی فلزی در فضا به ایستگاه فضایی بین‌المللی منتقل شد.
پروژه‌های جدیدتر شامل شرکت‌های ساختمانی متصل به ماه مانند پروژه لینا است که قصد دارد یک پایگاه عملیاتی را در آنجا راه اندازی کند. آنچه مدت‌ها در تئوری علمی تخیلی مطرح شده بود به واقعیت تبدیل شد و به طور بالقوه نشان دهنده تحولی شگفت انگیز در تاریخچه پرینتر سه بعدی است.
در حوزه پزشکی در سال 2015 با Cellink اعلام شد که اولین فروش تجاری "بیواینک" را اعلام کرد که امکان چاپ سه بعدی بافت بدن را فراهم می کند. امروزه، پرینت سه بعدی همچنان برای نیازهای پزشکی با پیچیدگی روزافزون استفاده می شود. Cerhum، یک شرکت تجهیزات پزشکی در بلژیک، در سال 2022 برای MyBone، یک پیوند استخوان سفارشی با استفاده از سرامیک زیست سازگار، تأییدیه نظارتی دستگاه پزشکی اروپا را دریافت کرد.
اگرچه ممکن است کمتر جذاب به نظر برسد، اما یک نقطه عطف به همان اندازه در سال 2018 اتفاق افتاد و اولین خانواده به خانه ای کاملاً چاپ شده سه بعدی نقل مکان کردند. این خانه‌ها اکنون جزو منازل لوکس شناخته می‌شوند.
آینده پرینتر سه بعدی
در تاریخچه پرینتر سه بعدی، پیشرفت‌های چشمگیری وجود دارد. مهم است که به یاد داشته باشیم که بیشتر آنها فقط در مراحل اولیه توسعه هستند. آنها تا رسیدن به پتانسیل کامل خود راه درازی در پیش دارند، به این معنی که پیشرفت های تکنولوژیکی بیشتری وجود خواهد داشت که ما را شگفت زده می کند.
خوشبختانه، به نظر می رسد که ما تازه شروع به سرمایه گذاری در امکانات گسترده فناوری چاپ سه بعدی کرده ایم. طولی نمی کشد که از نوآوری موفقیت آمیز دیگری که به چاپ سه بعدی نسبت داده می شود می شنویم.
ما نمی‌توانیم پیش‌بینی کنیم که آینده پرینتر سه بعدی به کجا می‌رود، اما می‌توانیم از سفر شگفت‌انگیزی که فناوری آینده‌نگر قبلاً در آن بوده است شگفت زده شویم.
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
پرینترهای سه بعدی که به عنوان یکی از نوآوری‌های برجسته فناوری مدرن شناخته می‌شوند، تاریخچه‌ای جذاب و متنوع دارند. این فناوری در اوایل دهه 1980 با توسعه روش‌هایی مانند "فوتوپلیمرسازی" و "فناوری ذوب انتخابی" آغاز شد. اولین پرینتر سه‌بعدی توسط چارلز هول در سال 1983 اختراع شد و این اختراع به تدریج به ایجاد استانداردهای جدید در تولید و طراحی منجر شد.
در دهه‌های بعد، با پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری مواد و نرم‌افزار، پرینترهای سه‌بعدی به تدریج به صنعت‌های مختلف از جمله خودروسازی، پزشکی، معماری و حتی هنر وارد شدند. این فناوری امکان تولید قطعات پیچیده و سفارشی را با هزینه کمتر و زمان کوتاه‌تر فراهم کرد.
از سال 2000 به بعد، با ظهور پرینترهای سه‌بعدی خانگی و کاهش هزینه‌ها، این فناوری به دسترس عموم مردم رسید و باعث افزایش خلاقیت و نوآوری در میان افراد و استارتاپ‌ها شد. امروزه، پرینترهای سه‌بعدی نه تنها در تولید صنعتی، بلکه در زمینه‌هایی مانند پزشکی (چاپ پروتزها و بافت‌های زنده)، معماری (مدلسازی)، و حتی غذا (چاپ مواد غذایی) کاربرد دارند.
در نهایت، تاریخچه پرینتر سه‌بعدی نشان‌دهنده تحولاتی است که این فناوری در فرآیندهای تولید، طراحی و خلاقیت به وجود آورده است. با ادامه پیشرفت‌ها در این حوزه، انتظار می‌رود که پرینترهای سه‌بعدی نقش بیشتری در زندگی روزمره و صنایع مختلف ایفا کنند و به عنوان ابزاری کلیدی برای نوآوری‌های آینده شناخته شوند.