تاریخ پیدایش چاپگرهای سه بعدی: از قرن نوزدهم تا قرن 21

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 نمیدانستند 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 میلادی (1259 خورشیدی): چاپ سه بعدی به طور رسمی تا اواخر قرن بیستم شروع به کار نکرده بود، اما برخی ایده‌های آن مربوط به دهه‌ها 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 میتوانست 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، مجسمه‌ای ساده ساخته میشد. او این تکنیک را با استفاده از عکسها و تکه چوبهای 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 مغازه‌ای 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 میکشید و هر عکس در عرض ده ثانیه گرفته میشد. کار سوژه تمام و باقی را به ویلم می‌سپرد 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 میکرد. 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 میگرفت 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 مجسمه‌سازان سنتی محافظه کار که به او حسادت میکردند و بازارشان را کساد کرده بود و ناتوانی در توازن دخل و خرج (چون نتوانست سرمایه‌ای 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).

با ادامه این ایده، سال 1892 (1271 شمسی) مخترعی به نام جوزف ای. بلانتر حق ثبت اختراع ایجاد نقشه‌های توپوگرافی سه بعدی به شیوه‌ای شبیه لایه‌گذاری 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.