پلتفرم RepRap از سال 2004 شروع شد و نسخه رسمی آن تا سال 2016 پابرجا ماند و تاثیر تاریخی بزرگی بر عمومی سازی و ساده کردن چاپگرهای سه بعدی گذاشت.
این مطلب توسط چندین عضو مهم پروژه از جمله دکتر آدرین بویِر Adrian Bowyer و ویک اولیور Vik Olliver نوشته شده است.
گام‌های ابتدایی RepRap
پروژۀ RepRap کار خود را بعنوان ابتکار دانشگاه بریتانیا برای تولید چاپگر سه بعدی متریال ترموپلاستیک آغاز کرد؛ چاپگری که بتواند اجزای خود را چاپ کند و کم هزینه هم باشد و صدها نفر در سراسر جهان در آن مشارکت کنند.
پروژۀ RepRap از یک تکنیک تولید افزایشی به نام Fused Filament Fabrication :FFF برای قرار دادن لایه ها روی هم استفاده می کند: یعنی یک رشتۀ پلاستیکی ذوب می شود تا قطعه ای را بسازد. این روند از اوایل دهۀ 90 آغاز شد و توسط اسکات کرامپ مخترع این تکنیک و موسس شرکت Stratasys مورد بهره برداری تجاری قرار گرفت.
پروژۀ RepRap منبع باز (اوپن‌سورس) بود، بنابراین تمام حقوق معنوی این پروژه تحت مجوز نرم افزار رایگان GPL قرار میگیرد (reprap.org):
GNU General Public License
برخی افراد به دلیل قابلیت همانندسازی پرینتر سه بعدی، این پروژه را راهی برای دسترسی عموم به چاپگرهای ارزان قیمت میدانند، که محصولات را بدون نیاز به زیرساختهای صنعتی در اختیار مردم قرار داد. مبتکران RepRap میخواستند به شیوۀ تکامل انتخابی پیش بروند، یعنی هر فردی می‌تواند در طراحی و تولید دستگاه تغییراتی ایجاد کند و برای باز تولید در اختیار دیگران بگذارد تا تولید به صورت تصاعدی افزایش یابد. پژوهشی نشان می دهد که استفاده از RepRap برای تولید محصولات متداول موجب صرفه جویی اقتصادی میشود، که همین امر سرمایه گذاری روی پرینترهای RepRap را توجیه میکرد.
تاریخچه رِپ رَپ
Replicating Rapid Prototyper : نمونه سازی سریع تکرار شونده !
پروژۀ RepRap در 2 فوریه 2004 توسط آدرین بویر، استاد ارشد مهندسی مکانیک در دانشگاه بَث انگلستان زاده شد. پژوهش رسمی بر روی این پروژه در سال 2005 آغاز گشت.
طراحی نخستین چاپگر سه بعدی پروژه با نام «داروین» در مارس 2007 منتشر شد. پس از آن «مندل» در اکتبر 2009 و «پروسا مندل» و «هاکسلی» در 2010 ارائه شدند؛ هرچند صدها تغییر در آنها رخ داد. سازندگان اصلی تصمیم گرفتند نام دستگاه ها را از روی نام زیست شناسان تکاملی معروف بردارند زیرا «هدف RepRap مفهوم همانندسازی و تکامل طبیعی داروین» بود! با این حال سایر مدلها به نام شخص طراح یا اسامی دیگر نامگذاری شد.
تایم لاین پلتفرم چاپگرهای سه بعدی REP RAP
2 فوریه 2004: RepRap اختراع شد.
23 مارس 2005: وبلاگ RepRap شروع به کار کرد و تحقیقات آغاز شد.
تابستان 2005: بودجۀ لازم برای ساخت اولیه در دانشگاه بث انگلستان 20.000 پوند است که توسط شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی انگلستان تامین می شود.
13 سپتامبر 2006: نخستین نمونۀ RepRap 0.2 با موفقیت قسمت اول خود را چاپ می کند، که در ادامه برای جایگزینی قطعۀ مشابهی که توسط چاپگر سه بعدی تجاری ساخته شده استفاده می شود.
9 فوریه 2008: پرینتر RepRap 0.1 یا «داروین» با موفقیت بیش از نیمی از قطعات اولیۀ خود را تولید می کند.
14 اپریل 2008: احتمالاً نخستین وسیلۀ مصرفی توسط RepRap ساخته می شود: گیره ای برای نگه داشتن iPod روی داشبورد ماشین فورد فیستا.
29 می 2008: دکتر آدرین بویر با چند دقیقۀ مونتاژ، نخستین دستگاهِ «فرزند»، بخش اول دستگاهِ «نوه» را در دانشگاه بث انگلستان تولید میکند.
23 سپتامبر 2008: گزارش از تولید حداقلی صدها نسخه در کشورهای مختلف. تعداد دقیق دستگاه ها در این زمان روشن نیست.
30 نوامبر 2008: نخستین کپی توسط شخصی خارج از سازندگان اصلی انجام می شود؛ وِید بروتز دستگاهی مشابه برای شخصی دیگر میسازد.
2 اکتبر 2009: طرح نسل دوم که «مندل» نام دارد، قسمت اول خود را چاپ می کند. ظاهر مندل به جای مکعب بیشتر شبیه مثلث منشوری است.
ژانویه 2009: شرکت MakerBot توسط داوطلبان RepRap و دیگران برای فروش چاپگرهای تولیدی RepRap، که منبع باز هستند اما شبیه ساز نیستند، تاسیس می شود. شرکت MakerBot نخستین شرکت مبتنی بر RepRap بود (هم اکنون این کمپانی آمریکایی با پلتفرم تجاری غیر رایگانش، ارزشی صدها میلیون دلاری دارد).
13 اکتبر 2009: دستگاه «مندل» یا RepRap 0.2 کامل می شود.
27 ژانویه 2010: موسسۀ Foresight جایزۀ مربوط به طراحی و ساخت خود را به RepRap اعطا می کند.
31 آگوست 2010: طراحی نسل سوم «هاکسلی» نامیده می شود. ساخت آن بر اساس نسخۀ کوچک شدۀ مندل با 30 درصد از حجم ساخت اصلی انجام شده است.
ژانویۀ 2011: شرکت Aleph Objects برای تولید چاپگرهای سه بعدی LulzBot مبتنی بر RepRap تاسیس شد. تعداد شرکتهای وابسته روند تصاعدی پیدا میکند.
2011- 2012: استفاده از محصولات پروژه در جوامع فناوری، مکانیکی و مهندسی در حال رشد است. پروژه RepRap یا مشتقات تجاری آن در بسیاری رسانه های جریان اصلی مطرح شده اند و در تیررس رسانه های فناوری و برخی متخصصان مهندسی قرار گرفته اند. مثلا در سال 2011 کمپانی Ultimaker نیز که سازنده خوشنام چاپگر سه بعدی و توسعه دهنده نرم افزار Cura نیز هست با این پلتفرم شروع کرد.
اواخر 2012: نخستین طرح دلتا با نام Rostock در حال ساخت است. دستگاه های دلتا از طرح محور غیردکارتی بهره می برند.
جولای 2013: جایزۀ گادا به RepRap Morgan طراحی شده توسط کوانتین هارلی تعلق می گیرد.
12 می 2015: چاپگر سه بعدی همانند‌ساز Dollo با مقیاس بالایی در همانند سازی توسط بِن و بنجامین اِنجل ساخته می شود.
8 سپتامبر 2015: دستگاه RepRap Snappy توسط رِورا دِسمارا معرفی می شود. همانند Dollo تعداد بالایی از قطعات خود را همانند سازی میکند و تنها با استفاده از پیچ و مهره مونتاژ می شود.
ژانویه 2016: شرکت RepRapPro (یکی از بسیاری شرکت های وابسته، با این تفاوت که توسط خود آدرین بویر و دیگران تاسیس شده) در وبسایت خود اعلام کرد که به کار خود پایان میدهند. دلیل آن ازدحام بازار پرینترهای سه بعدی ارزان قیمت ناشی از پروژه RepRap و عدم توانایی در کنترل کیفیت سازندگان متعددش اعلام شد.
اهداف پروژه Rep Rap
هدف پروژۀ RepRap تولید دستگاهی شبیه ساز بود تا پرینترهای سه بعدی با هزینۀ پایین در همه جای جهان در دسترس کاربران قرار بگیرند و مایحتاج مصرفی زندگی آنها را تولید کنند. چرا؟ چون از اواخر دهه 80 قرن بیستم تا دهه اول قرن بیست و یک، معدود سازندگانی تجاری بودند که بیشتر چاپگرهای با فناوری SLA (رزینی) میساختند و چند نوع فیلامنتی بازار هم بزرگ و گران بود که به درد افراد معمولی نمیخورد. از دیدگاه نظری، این پروژه می خواست ثابت کند که «نمونه سازی سریع و مستقیم آنقدر تطبیق پذیر است که بتوان از آن برای شبیه سازی خود دستگاه استفاده کرد.» هدف این پروژه شبیه سازی یک سری نسل تکاملی از دستگاه های تولید افزایشی متریال ترموپلاستیک (فیلامنت) بود.
ماهیت شبیه‌ساز RepRap میتوانست به فراگیری آن کمک برساند و حتی الگوی طراحی کارخانه ای محصولات را به تولیدات شخصی با منبع باز منتقل کند. قابلیت طراحی و ساخت فردی محصولات در مقایسه با تولیدات کارخانه ای، میتوانست زمان چرخۀ پیشرفت را تا حد زیادی کاهش دهد و محصولات بیشتری را عرضه کند.
سخت افزار چاپگرهای سه بعدی RepRap
از آنجا که این پروژه با هدف تکامل طراحی شده بود، تغییرات زیادی را رقم زد. بعنوان پروژه ای منبع باز، دست طراحان در تغییر و اصلاح باز بود اما طبق مجوز GPL باید پیشرفت ها را به اشتراک همگانی می گذاشتند.
پرینترهای سه بعدی RepRap معمولاً شامل یک اکسترودر ترموپلاستیک بودند که روی یک پلتفرم دکارتی XYZ کنترل‌شونده توسط کامپیوتر نصب می شد. این پلتفرم از میله های فولادی ساخته شده بود که توسط قطعات پلاستیکی چاپی به هم متصل می شدند. هر سه محور توسط موتورهای استِپِر stepper motor هدایت می شدند، در محورهای X و Y از طریق تسمه تایم timing belt و در محور Z توسط یک هرزگرد Leadscrew.
در قلب RepRap اکسترودر ترموپلاستیک قرار دارد. اکسترودرهای اولیه از یک موتور چرخدنده ای DC استفاده می کردند که پیچی را محکم روی فیلامنت فشار می داد و آن را از طریق محفظۀ ذوب و سپس نازل اکستروژن بیرون می ریخت. با وجود این، موتورهای DC نمی توانند بدون پَسخورد روشن یا متوقف شوند، بنابراین کنترل دقیق آنها دشوار است. در نتیجه، اکسترودرهای جدیدتر از موتورهای استپر برای هدایت فیلامنت استفاده کردند، به این صورت که فیلامنت را بین یک شَفت زبانه دار یا دندانه دار و یک یاتاقان توپی فشار می دادند.
بیشتر طراحی های الکترونیکی RepRap بر اساس پلتفرم منبع باز آردوینو با مدارهای اضافی برای کنترل موتور استپر و گرم‌کننده‌ها انجام میشد.
نرم افزار چاپگرهای سه بعدی RepRap
ابتدا دو نرم افزار مختلف CAM برای RepRap ساخته شد. مورد نخست که «RepRap Host» نام داشت توسط آدرین بویر به زبان جاوا نوشته شد. مورد دوم، «Skeinforge»، مستقلاً توسط انریکه پرز نوشته شد. هر دو، سیستم‌های کاملی برای برش دادن مدل سه بعدی دیجیتال بودند و به صورت دستورالعمل های جی‌کد در می آیند تا موتورهای دستگاه و اکستروژن پلاستیک را هدایت کنند.
بعدها برنامه های برش دیگری مانند Slic3r و Cura ساخته شدند که اسلایسر نام گرفتند و هنوز هم بروزرسانی میشوند و عملکرد بسیار بهتری دارند.
برنامۀ Pronterface به طور جداگانه برای کنترل RepRap در تعامل با اجرای فایل های جی‌کدِ ساخته شده توسط برنامه های اسلایسر ساخته شد. برخی از دستگاه های RepRap از رابط های وب پشتیبانی می کنند و که امکان کار با سرور شبکه و کنترل از طریق مرورگر را فراهم می کند.
جامعۀ RepRap برنامه های سه بعدی رایگان منبع باز مانند OpenSCAD و Blender و FreeCAD را برای تولید قطعات چاپی ترجیح می دهد اما از تمام برنامه های CAD میتوان استفاده کرد، البته تا زمانی که قادر به تولید فایل STL یا STP باشند (Slic3r همچنین از فایل Obj و amf پشتیبانی می کند). بنابراین، تولیدکنندگان از هر ابزار آشنایی استفاده می کنند، مثلا برنامه های تجاری CAD مانند SolidWorks، Autodesk AutoCAD، Tinkercad، Autodesk Inventor یا Google Sketchup به همراه نرم افزار Libre.
متریال ساخت
اشیای چاپی توسط RepRap از متریال ترموپلاستیک فیلامنت ABS، اسید پلی لاکتیک (PLA)، نایلون، HDPE، TEP و ترموپلاستیک های مشابه ساخته می شوند. دستگاه های مختلف از متریال های متفاوت خاص خودشان هم پشتیبانی می کنند.
فیلامنت PLA توسط ویک اولیور از پروژه RepRap در می 2007 معرفی شد و پرکاربردترین متریال است. این ماده دارای ویژگی های مهندسی مانند سختی نسبی ، مقاومت نسبی خوب در برابر ساییدگی، تاب خوردگی کم هنگام خنک سازی است. همچنین از نظر بیولوژیکی قابل تجزیه است (چون منشاء گیاهی دارد).
کاربران RepRap به استفاده از متریال و شیوه های جدید تشویق می شوند تا نتایج خود را منتشر کنند. شیوه های چاپ جدید مانند سرامیک از این طریق توسعه یافت. از این گذشته، چندین RecycleBot برای تبدیل پلاستیک های زائد مانند ظروف شامپو و شیر به فیلامنت ارزان قیمت طراحی و ساخته شده است. برخی شواهد نشان می دهند که این شیوۀ بازیافت برای محیط زیست بهتر است و همچنین در تجارت فیلامنت مفید خواهد بود (گرچه کیفیت چاپ همانند یک فیلامنت با کیفیت تجاری نخواهد بود).
اهداف دیگر پروژه RepRap حوزه چاپ الکترونیک بود تا از این طریق بتواند مدارهای خود را پرینت کند. چندین روش پیشنهاد شد:
- فلزِ وود یا فلزِ فیلد: آلیاژهای فلزی با نقطۀ ذوب پایین برای ادغام مدارهای الکتریکی هنگام شکل گیری قطعه.
- پلیمرهای پُرشده از نقره/کربن: معمولاً برای تعمیرات صفحه مدار استفاده می شوند و به خاطر رسانایی الکتریکی در نظر گرفته شدند.
- اکستروژن مستقیم لحیم.
- سیم های رسانا: می توان از طریق یک رول در حین چاپ از آن استفاده کرد.
اگر یک جوش دهندۀ MIG بر سر چاپگر نصب شود میتوان از آن برای چاپ فلزاتی مانند فولاد استفاده کرد. از پرینترهای RepRap برای چاپ بافت های زیستی استفاده شده است. از ایدۀ RepRap میتوان در دستگاه فرز هم استفاده کرد.
ساختار پرینترهای سه بعدی RepRap
می توان از سایر طرح های چاپگر سه بعدی (مثلاً MakerBot تجاری) و قطعات ساخته شده با روش های دیگر (مثلاً Meccano یا چوب) برای راه اندازی فرایند RepRap استفاده کرد. بسیاری از این دستگاه ها بر اساس طرح های RepRap ساخته شده اند و از سیستم الکترونیکی آن استفاده می کنند. اینها به طور کلی با نام RepStrap توسط انجمن RepRap ساخته می شوند.
به هر دستگاه نمونه سازی سریع و سخت افزارِ منبع بازی که قطعات RepRap را می سازد اما خودش زیر چتر RepRap نیست، RepStrap میگویند. برخی طرح های RepStrap شبیه به داروین و مندل هستند اما تغییر یافته و با برش لیزری و قطعات فرزکاری بیشتری ساخته شده اند.
اگرچه هدف این پروژه ساخت مستقل تمام اجزای آن است، اما مسلما تعدادی از اجزای الکترونیک یا مکانیکی مانند سنسورها، موتورهای استپر، میکروکنترلرها … را نمی توان با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی تولید کرد و بنابراین باید جداگانه خریداری شوند و اسمبل گردند.
انتقادات به پروژه رِپ رَپ
پروژه RepRap (و سایر سیستم های تولید شخصی) به مردم اجازه داد که حق ثبت اختراع را دور بزنند که مشکلاتی را برای شرکتها و دارندگان حق ثبت اختراع ایجاد کرده است ( دنیای تجاری قبلاً در موسیقی و جاهای دیگر به دلیل تکثیر و پخش آسان شاهد این مشکلات بود). البته این دردسر بیشتر در کشورهای قانونمند و پیشرفته ای مثل آمریکا وجود دارد که استفاده شخصی بدون حقوق انحصاری تخلف است و مقدار کمتری هم در قاره اروپا چون چنین مسئله ای برای موسسات غیرانتفاعی کمتر صادق میشود (حق کپی رایت)؛ اما در ایران اصلا مشکلی از این بابت نداریم!
انتقاد دیگری که برخی افراد حرفه ای حوزه پرینت سه بعدی به پلتفرم RepRap دارند اینست که ادامه یافتن و انشعابات تصاعدی بی برنامه اش باعث شد افراد سودجویی وارد بازار جهانی چاپگرهای سه بعدی FDM شوند و انبوهی دستگاههای کپی شده بی کیفیت بدون پشتوانه را در حالت « کیت آماده ساخت » به بازار تزریق کنند، با قیمتهای بسیار ارزانی بفروشند ولی کیفیت فدای کمیت گردد و ضرر بزرگی به برندهای تجاری با کیفیت (که مسلما قیمت گذاری بالاتری دارند) زده شود. این مسئله در بازار ایران هم مشکل عمده ای برای خریداران کم بودجه ای که درکی از کیفیت چاپگرها ندارند، ایجاد کرده و کلاه بزرگی سرشان میرود.
مسئله دیگر دوام و دقت پرینت این پلتفرم است؛ بجهت اینکه تمامی قطعات پلاستیکی محورها با چاپگر و متریال فیلامنت تولید میشوند و استحکام و دوام قطعه کارخانه ای را ندارند، دستگاه بعد از مدتی از حالت تراز یا کالیبراسیون خارج میشود یا نیاز دارید هر چند مدت قطعه ای ساییده شده را دوباره بسازید. شاید برای افراد مبتدی که هدف سرگرمی دارند کمتر بعنوان مشکل به نظر بیاید ولی برای اشحاص حرفه ای که اهداف فنی تولید دارند و میخواهند مداوما از دستگاه کار بکشند و دقت ابعاد قطعات بسیار مهم است، دردسر واقعا بزرگی است.
کاربردهای آموزشی
فناوری RepRap کاربردهای آموزشی زیادی دارد. از این پروژه در زمینۀ آموزشی رباتیک بسیار استفاده شده و میشود. برخی ادعا کرده اند که RepRap انقلابی در آموزش علوم مهندسی است. گواه آن هم تولید نمونه های کم هزینه و سریع در کلاس توسط دانش آموزان و همچنین ساخت تجهیزات علمی کیفیت بالا در آزمایشگاه ها می باشد.
تاثیر تجاری بر بازار پرینتر3بعدی
اوایل قرن بیست و یکم، قبل از شروع پروژه RepRap ، معدود برندهای تجاری چاپگر سه بعدی قیمت بالای 100.000 دلار داشتند که در سال 2012 یعنی زمان تثبیت سلطه نژادهای RepRap بر بازار ! قیمتها به رقم غیرقابل باور 15.000 دلار یا کمتر کاهش یافت. تا آن موقع، کیتهای RepRap با قیمت 500 دلار در دسترس قرار میگرفتند. این رقم اکنون حدود 300 دلار یا کمتر است (تا تاریخ نگارش این مطلب). تقریباً تمام چاپگرهای سه بعدی ارزان قیمت موجود در بازار، یکجوری از فناوری RepRap تکامل داروینی یافته اند! حتی برخی شرکتها در سراسر جهان (از 2010 به بعد) برای فروش محصولات RepRap و پرینترهای سه بعدی غیرشبیه‌ساز مبتنی بر RepRap تاسیس شدند.
از خوبی های ایجاد پروژه اوپن سورس REPRAP وجود سه برند مطرح فعلی پرینتر سه بعدی جهان است که ابتدا با کیت های رایگان رِپ رَپ شروع کردند؛ بله، منظورمان سه سازنده معروف MakerBot – Ultimaker و Prusa است که همگی از RepRap منشعب شده اند.
نتیجه گیری درباره RepRap
پروژه رپ رَپ در اوایل سده 21، الزام و موهبتی بود که باعث شد افراد غیر آکادمیک هم با فناوری 3D Printer آشنا شوند و هزینه ساخت چاپگرهای سه بعدی خانگی کاهش یابد. این پروژه، همچون لینوکس دنیای سیستم عاملها که بر علیه سلطه مایکروسافت ایستاد، انحصار را از برندهای نوآور ولی گران 3D Printer آن زمان مثل stratasys در آورد و سورس کد ساخت را در اختیار توسعه دهندگان قرار داد، آنچنان که از همین پروژه رایگان بعدها استارت آپهایی مثل Ultimaker–MakerBot–Prusa … ایجاد شدند که اکنون کمپانیهای بزرگ و سودآوری هستند (آخرین نسل چاپگرهای سه بعدی MakerBot بسیار پیشرفته شده اند ولی با پلتفرمی بسته که کپی رایت سفت و سختی دارد و دیگر مثل گذشته متن باز نیست درحالیکه Ultimaker و Prusa همچنان به دنیای اوپن سورس وفادار مانده اند).
این پروژه در زمان خود دقیق و بروز بود ولی امروزه با پیشرفت استاندارد چاپگرهای سه بعدی حتی در نسخه های خانگی، استفاده از نسلهای اول (قدیمی) این پلتفرم دیگر توجیه پذیر نیست. البته همچنان در کشورهای فقیر یا مدارس و آزمایشگاههایی که هدفشان ساخت و آموزش ابزار است، بسیار کاربردی باقی خواهد ماند. افراد علاقمند هم میتوانند بر اساس این پلتفرم در خانه برای خودشان یک چاپگر سه بعدی بسازند و لذت ببرند ولی اگر قصد کارکرد صنعتی از چاپگر سه بعدی خود دارید و با مفاهیم علم مکانیک و الکترونیک آشنایی ندارید، بهتر است بی خیال تجربه کردن کیت ساخت پلتفرم رِپ رَپ شوید! بجایش کمی بیشتر هزینه کنید و دستگاههایی تجاری با ساختار استاندارد و بروز صنعتی را خریداری کنید.
خب، به پایان مقاله رسیدیم. شما کدام را ترجیح میدهید؟ تجربه هیجان انگیز لمس چاپگری که با دستان خودتان خلقش کرده اید یا یک پرینتر سه بعدی آماده بی دردسر؟! لطفا پیشنهادات یا مطالب تکمیلی خود درباره پروژه RepRap را در بخش کامنتیگ مطرح کنید.