تولید افزایشی، که با نام چاپ سه‌بعدی نیز شناخته می‌شود، از زمان استفاده تجاری خود نزدیک به ۳۵ سال است که به تکامل خود ادامه می‌دهد. صنایع هوافضا، خودرو، دفاع، انرژی، حمل و نقل، پزشکی، دندانپزشکی و صنایع مصرفی از تولید افزایشی برای طیف وسیعی از کاربردها استفاده می‌کنند.
با چنین پذیرش گسترده‌ای، واضح است که تولید افزایشی یک راه‌حل یکسان برای همه نیست. طبق استاندارد اصطلاحات ISO/ASTM 52900، تقریباً همه سیستم‌های تولید افزایشی تجاری در یکی از هفت دسته فرآیند قرار می‌گیرند. این هفت دسته شامل اکستروژن مواد (MEX)، فوتوپلیمریزاسیون حمام (VPP)، همجوشی بستر پودر (PBF)، پاشش چسب (BJT)، پاشش مواد (MJT)، رسوب انرژی هدایت‌شده (DED) و لایه‌گذاری ورق (SHL) می‌شود. در اینجا آنها بر اساس محبوبیت بر اساس فروش واحد مرتب شده‌اند.
تعداد فزاینده‌ای از متخصصان صنعت، از جمله مهندسان و مدیران، در حال یادگیری این موضوع هستند که چه زمانی تولید افزایشی می‌تواند به بهبود یک محصول یا فرآیند کمک کند و چه زمانی نمی‌تواند. از نظر تاریخی، ابتکارات اصلی برای پیاده‌سازی تولید افزایشی از سوی مهندسانی که با این فناوری تجربه دارند، صورت گرفته است. مدیریت نمونه‌های بیشتری از چگونگی بهبود بهره‌وری، کاهش زمان تحویل و ایجاد فرصت‌های تجاری جدید توسط تولید افزایشی را مشاهده می‌کند. تولید افزایشی جایگزین اکثر اشکال سنتی تولید نخواهد شد، اما به بخشی از زرادخانه کارآفرینان برای توسعه محصول و قابلیت‌های تولید تبدیل خواهد شد.
تولید افزایشی طیف گسترده‌ای از کاربردها را دارد، از میکروفلوئیدیک گرفته تا ساخت و ساز در مقیاس بزرگ. مزایای AM بسته به صنعت، کاربرد و عملکرد مورد نیاز متفاوت است. سازمان‌ها باید دلایل خوبی برای اجرای AM، صرف نظر از مورد استفاده، داشته باشند. رایج‌ترین آنها مدل‌سازی مفهومی، تأیید طراحی و تأیید مناسب بودن و عملکرد است. شرکت‌های بیشتری از آن برای ایجاد ابزارها و برنامه‌های کاربردی برای تولید انبوه، از جمله توسعه محصول سفارشی، استفاده می‌کنند.
برای کاربردهای هوافضا، وزن عامل مهمی است. طبق اعلام مرکز پروازهای فضایی مارشال ناسا، قرار دادن یک محموله ۰.۴۵ کیلوگرمی در مدار زمین حدود ۱۰ هزار دلار هزینه دارد. کاهش وزن ماهواره‌ها می‌تواند در هزینه‌های پرتاب صرفه‌جویی کند. تصویر پیوست، یک قطعه فلزی AM ساخت Swissto12 را نشان می‌دهد که چندین موجبر را در یک قطعه ترکیب می‌کند. با AM، وزن به کمتر از ۰.۰۸ کیلوگرم کاهش می‌یابد.
تولید افزایشی در سراسر زنجیره ارزش صنعت انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای برخی از شرکت‌ها، توجیه تجاری استفاده از AM، تکرار سریع پروژه‌ها برای ایجاد بهترین محصول ممکن در کوتاه‌ترین زمان ممکن است. در صنعت نفت و گاز، قطعات یا مجموعه‌های آسیب‌دیده می‌توانند هزاران دلار یا بیشتر از نظر از دست دادن بهره‌وری در هر ساعت هزینه داشته باشند. استفاده از AM برای بازیابی عملیات می‌تواند به‌طور ویژه جذاب باشد.
یکی از تولیدکنندگان بزرگ سیستم‌های DED، MX3D، نمونه اولیه ابزار تعمیر لوله را منتشر کرده است. به گفته این شرکت، یک خط لوله آسیب‌دیده می‌تواند روزانه بین ۱۰۰۰۰۰ تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ یورو (۱۱۳,۱۵۷ تا ۱,۱۳۱,۵۷۰ دلار) هزینه داشته باشد. دستگاه نشان داده شده در صفحه بعد از یک قطعه CNC به عنوان قاب استفاده می‌کند و از DED برای جوشکاری محیط لوله استفاده می‌کند. AM نرخ رسوب‌گذاری بالایی را با حداقل ضایعات فراهم می‌کند، در حالی که CNC دقت لازم را فراهم می‌کند.
در سال ۲۰۲۱، یک محفظه آب چاپ سه‌بعدی روی یک سکوی نفتی TotalEnergies در دریای شمال نصب شد. جکت‌های آبی عنصری حیاتی هستند که برای کنترل بازیابی هیدروکربن در چاه‌های در حال ساخت استفاده می‌شوند. در این مورد، مزایای استفاده از تولید افزایشی، کاهش زمان تحویل و کاهش ۴۵ درصدی انتشار گازهای گلخانه‌ای در مقایسه با جکت‌های آبی فورج‌شده سنتی است.
یکی دیگر از دلایل تجاری برای تولید افزایشی، کاهش ابزارهای گران‌قیمت است. شرکت Phone Scope آداپتورهای دیجی‌اسکوپ را برای دستگاه‌هایی که دوربین گوشی شما را به تلسکوپ یا میکروسکوپ متصل می‌کنند، توسعه داده است. هر ساله گوشی‌های جدید عرضه می‌شوند و شرکت‌ها را ملزم به عرضه خط جدیدی از آداپتورها می‌کنند. با استفاده از AM، یک شرکت می‌تواند در هزینه‌های مربوط به ابزارهای گران‌قیمتی که هنگام عرضه گوشی‌های جدید نیاز به تعویض دارند، صرفه‌جویی کند.
همانند هر فرآیند یا فناوری، تولید افزایشی نباید به دلیل جدید یا متفاوت بودن مورد استفاده قرار گیرد. این کار برای بهبود توسعه محصول و/یا فرآیندهای تولید است. باید ارزش افزوده ایجاد کند. نمونه‌هایی از موارد تجاری دیگر شامل محصولات سفارشی و سفارشی‌سازی انبوه، قابلیت‌های پیچیده، قطعات یکپارچه، مواد و وزن کمتر و عملکرد بهبود یافته است.
برای اینکه AM بتواند پتانسیل رشد خود را محقق کند، باید به چالش‌ها رسیدگی شود. برای اکثر کاربردهای تولیدی، فرآیند باید قابل اعتماد و قابل تکرار باشد. روش‌های بعدی خودکارسازی حذف مواد قطعات و تکیه‌گاه‌ها و پس‌پردازش نیز مفید خواهد بود. اتوماسیون همچنین بهره‌وری را افزایش داده و هزینه هر قطعه را کاهش می‌دهد.
یکی از حوزه‌های مورد توجه، اتوماسیون پس‌پردازش مانند حذف پودر و پرداخت نهایی است. با خودکارسازی فرآیند تولید انبوه کاربردها، می‌توان یک فناوری را هزاران بار تکرار کرد. مشکل این است که روش‌های خاص اتوماسیون می‌توانند بر اساس نوع، اندازه، جنس و فرآیند قطعه متفاوت باشند. به عنوان مثال، پس‌پردازش خودکار روکش‌های دندان با پردازش قطعات موتور موشک بسیار متفاوت است، اگرچه هر دو می‌توانند از فلز ساخته شوند.
از آنجا که قطعات برای چاپ افزایشی (AM) بهینه شده‌اند، اغلب ویژگی‌های پیشرفته‌تر و کانال‌های داخلی بیشتری اضافه می‌شوند. برای PBF، هدف اصلی حذف ۱۰۰٪ پودر است. شرکت Solukon سیستم‌های حذف پودر خودکار تولید می‌کند. این شرکت فناوری‌ای به نام بازیابی هوشمند پودر (SRP) توسعه داده است که قطعات فلزی متصل به صفحه ساخت را می‌چرخاند و می‌لرزاند. چرخش و لرزش توسط مدل CAD قطعه کنترل می‌شود. با حرکت و تکان دادن دقیق قطعات، پودر گرفته شده تقریباً مانند یک مایع جریان می‌یابد. این اتوماسیون، کار دستی را کاهش می‌دهد و می‌تواند قابلیت اطمینان و تکرارپذیری حذف پودر را بهبود بخشد.
مشکلات و محدودیت‌های حذف دستی پودر می‌تواند امکان استفاده از AM را برای تولید انبوه، حتی در مقادیر کم، محدود کند. سیستم‌های حذف پودر فلز Solukon می‌توانند در یک فضای بی‌اثر کار کنند و پودر استفاده نشده را برای استفاده مجدد در دستگاه‌های AM جمع‌آوری کنند. Solukon یک نظرسنجی از مشتریان انجام داد و در دسامبر 2021 مطالعه‌ای منتشر کرد که نشان می‌دهد دو نگرانی بزرگ، سلامت شغلی و تکرارپذیری هستند.
حذف دستی پودر از ساختارهای رزین PBF می‌تواند زمان‌بر باشد. شرکت‌هایی مانند DyeMansion و PostProcess Technologies در حال ساخت سیستم‌های پس‌پردازش برای حذف خودکار پودر هستند. بسیاری از قطعات تولید افزایشی را می‌توان در سیستمی بارگذاری کرد که محیط را معکوس و خارج می‌کند تا پودر اضافی حذف شود. HP سیستم مخصوص به خود را دارد که گفته می‌شود پودر را در عرض 20 دقیقه از محفظه ساخت Jet Fusion 5200 خارج می‌کند. این سیستم پودر ذوب نشده را در یک ظرف جداگانه برای استفاده مجدد یا بازیافت برای سایر کاربردها ذخیره می‌کند.
شرکت‌ها می‌توانند از اتوماسیون بهره‌مند شوند، اگر بتوان آن را در بیشتر مراحل پس از پردازش اعمال کرد. DyeMansion سیستم‌هایی برای حذف پودر، آماده‌سازی سطح و رنگ‌آمیزی ارائه می‌دهد. سیستم PowerFuse S قطعات را بارگیری می‌کند، قطعات صاف را بخار می‌دهد و آنها را تخلیه می‌کند. این شرکت یک قفسه از جنس استیل ضد زنگ برای آویزان کردن قطعات ارائه می‌دهد که با دست انجام می‌شود. سیستم PowerFuse S می‌تواند سطحی مشابه قالب تزریق ایجاد کند.
بزرگترین چالش پیش روی صنعت، درک فرصت‌های واقعی است که اتوماسیون ارائه می‌دهد. اگر نیاز به ساخت یک میلیون قطعه پلیمری باشد، فرآیندهای ریخته‌گری یا قالب‌گیری سنتی ممکن است بهترین راه‌حل باشند، اگرچه این به قطعه بستگی دارد. AM اغلب برای اولین تولید در تولید و آزمایش ابزار در دسترس است. از طریق پردازش خودکار پس از تولید، هزاران قطعه را می‌توان با استفاده از AM به طور قابل اعتماد و قابل تکرار تولید کرد، اما این روش مختص قطعه است و ممکن است به یک راه‌حل سفارشی نیاز داشته باشد.
تولید افزایشی (AM) هیچ ارتباطی با صنعت ندارد. بسیاری از سازمان‌ها نتایج تحقیق و توسعه جالبی ارائه می‌دهند که می‌تواند منجر به عملکرد صحیح محصولات و خدمات شود. در صنعت هوافضا، شرکت Relativity Space یکی از بزرگترین سیستم‌های تولید افزایشی فلز را با استفاده از فناوری اختصاصی DED تولید می‌کند که این شرکت امیدوار است از آن برای ساخت اکثر موشک‌های خود استفاده کند. موشک Terran 1 آن می‌تواند محموله‌ای به وزن 1250 کیلوگرم را به مدار پایین زمین منتقل کند. Relativity قصد دارد در اواسط سال 2022 یک موشک آزمایشی پرتاب کند و در حال حاضر در حال برنامه‌ریزی برای یک موشک بزرگتر و قابل استفاده مجدد به نام Terran R است.
موشک‌های Terran 1 و R شرکت Relativity Space روشی نوآورانه برای بازاندیشی در مورد آینده پروازهای فضایی هستند. طراحی و بهینه‌سازی برای تولید افزایشی، علاقه به این توسعه را برانگیخته است. این شرکت ادعا می‌کند که این روش تعداد قطعات را در مقایسه با موشک‌های سنتی ۱۰۰ برابر کاهش می‌دهد. این شرکت همچنین ادعا می‌کند که می‌تواند ظرف ۶۰ روز موشک‌ها را از مواد خام تولید کند. این نمونه‌ای عالی از ترکیب قطعات زیاد در یک قطعه و ساده‌سازی بسیار زیاد زنجیره تأمین است.
در صنعت دندانپزشکی، از تولید افزایشی برای ساخت روکش، بریج، قالب‌های سوراخکاری جراحی، دندان مصنوعی جزئی و الاینرها استفاده می‌شود. شرکت‌های Align Technology و SmileDirectClub از چاپ سه‌بعدی برای تولید قطعاتی برای ترموفرمینگ الاینرهای پلاستیکی شفاف استفاده می‌کنند. Align Technology، تولیدکننده محصولات برند Invisalign، از بسیاری از سیستم‌های فوتوپلیمریزاسیون در حمام‌های 3D Systems استفاده می‌کند. در سال 2021، این شرکت اعلام کرد که از زمان دریافت تأییدیه FDA در سال 1998، بیش از 10 میلیون بیمار را درمان کرده است. اگر درمان یک بیمار معمولی شامل 10 الاینر باشد، که تخمین کمی است، این شرکت 100 میلیون یا بیشتر قطعه AM تولید کرده است. بازیافت قطعات FRP دشوار است زیرا ترموست هستند. SmileDirectClub از سیستم HP Multi Jet Fusion (MJF) برای تولید قطعات ترموپلاستیکی استفاده می‌کند که می‌توانند برای کاربردهای دیگر بازیافت شوند.
از نظر تاریخی، VPP نتوانسته است قطعات نازک و شفافی با خواص مقاومتی برای استفاده به عنوان لوازم ارتودنسی تولید کند. در سال 2021، LuxCreo و Graphy یک راه حل احتمالی ارائه دادند. از ماه فوریه، Graphy تاییدیه FDA را برای چاپ سه بعدی مستقیم لوازم دندانپزشکی دریافت کرده است. اگر آنها را مستقیماً چاپ کنید، فرآیند از ابتدا تا انتها کوتاه‌تر، آسان‌تر و به طور بالقوه کم‌هزینه‌تر در نظر گرفته می‌شود.
یکی از پیشرفت‌های اولیه که توجه زیادی از رسانه‌ها را به خود جلب کرد، استفاده از چاپ سه‌بعدی برای کاربردهای ساخت‌وساز در مقیاس بزرگ مانند مسکن بود. اغلب دیوارهای خانه با اکستروژن چاپ می‌شوند. تمام قسمت‌های دیگر خانه با استفاده از روش‌ها و مصالح سنتی، از جمله کف، سقف، پشت بام، پله، در، پنجره، لوازم خانگی، کابینت و پیشخوان ساخته می‌شدند. دیوارهای چاپ سه‌بعدی می‌توانند هزینه نصب برق، روشنایی، لوله‌کشی، کانال‌کشی و دریچه‌های گرمایش و تهویه مطبوع را افزایش دهند. تکمیل فضای داخلی و خارجی یک دیوار بتنی دشوارتر از طراحی دیوار سنتی است. مدرن‌سازی خانه با دیوارهای چاپ سه‌بعدی نیز یک نکته مهم است.
محققان آزمایشگاه ملی اوک ریج در حال مطالعه چگونگی ذخیره انرژی در دیوارهای چاپ سه‌بعدی هستند. با قرار دادن لوله‌هایی در دیوار در حین ساخت و ساز، آب می‌تواند برای گرمایش و سرمایش از طریق آن جریان یابد. این پروژه تحقیق و توسعه جالب و نوآورانه است، اما هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. این پروژه تحقیق و توسعه جالب و نوآورانه است، اما هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد.این پروژه تحقیقاتی جالب و نوآورانه است، اما هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد.این پروژه تحقیقاتی جالب و نوآورانه است، اما هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد.
بیشتر ما هنوز با اقتصاد چاپ سه‌بعدی قطعات ساختمانی یا سایر اشیاء بزرگ آشنا نیستیم. این فناوری برای تولید برخی پل‌ها، سایبان‌ها، نیمکت‌های پارک و عناصر تزئینی برای ساختمان‌ها و محیط بیرون استفاده شده است. اعتقاد بر این است که مزایای تولید افزایشی در مقیاس‌های کوچک (از چند سانتی‌متر تا چند متر) در چاپ سه‌بعدی در مقیاس بزرگ نیز صدق می‌کند. مزایای اصلی استفاده از تولید افزایشی شامل ایجاد اشکال و ویژگی‌های پیچیده، کاهش تعداد قطعات، کاهش مواد و وزن و افزایش بهره‌وری است. اگر AM ارزش افزوده ایجاد نکند، باید در مفید بودن آن تردید کرد.
در اکتبر ۲۰۲۱، Stratasys ۵۵٪ سهام باقی‌مانده در Xaar 3D، زیرمجموعه‌ای از تولیدکننده چاپگر جوهرافشان صنعتی بریتانیایی Xaar، را به دست آورد. فناوری PBF پلیمری Stratasys که Selective Absorbion Fusion نام دارد، مبتنی بر هدهای چاپ جوهرافشان Xaar است. دستگاه Stratasys H350 با سیستم HP MJF رقابت می‌کند.
خرید Desktop Metal چشمگیر بود. در فوریه 2021، این شرکت Envisiontec، تولیدکننده قدیمی سیستم‌های تولید افزایشی صنعتی، را خریداری کرد. در ماه مه 2021، این شرکت Adaptive3D، توسعه‌دهنده پلیمرهای VPP انعطاف‌پذیر، را خریداری کرد. در ژوئیه 2021، Desktop Metal شرکت Aerosint، توسعه‌دهنده فرآیندهای پوشش‌دهی مجدد پودری چند ماده‌ای، را خریداری کرد. بزرگترین خرید در ماه اوت انجام شد که Desktop Metal رقیب خود، ExOne، را با قیمت 575 میلیون دلار خریداری کرد.
خرید ExOne توسط Desktop Metal، دو تولیدکننده مشهور سیستم‌های BJT فلزی را گرد هم می‌آورد. به طور کلی، این فناوری هنوز به سطحی که بسیاری معتقدند، نرسیده است. شرکت‌ها همچنان به مسائلی مانند تکرارپذیری، قابلیت اطمینان و درک علت اصلی مشکلات هنگام بروز آنها می‌پردازند. با این حال، اگر مشکلات حل شوند، هنوز جایی برای رسیدن این فناوری به بازارهای بزرگتر وجود دارد. در ژوئیه 2021، 3DEO، ارائه‌دهنده خدمات با استفاده از یک سیستم چاپ سه‌بعدی اختصاصی، اعلام کرد که یک میلیونم از این سیستم را به مشتریان خود ارسال کرده است.
توسعه‌دهندگان نرم‌افزار و پلتفرم ابری شاهد رشد قابل توجهی در صنعت تولید افزایشی بوده‌اند. این امر به ویژه در مورد سیستم‌های مدیریت عملکرد (MES) که زنجیره ارزش AM را ردیابی می‌کنند، صادق است. 3D Systems در سپتامبر 2021 با مبلغ 180 میلیون دلار Oqton را خریداری کرد. Oqton که در سال 2017 تأسیس شد، راهکارهای مبتنی بر ابر را برای بهبود گردش کار و بهبود کارایی AM ارائه می‌دهد. Materialize در نوامبر 2021 با مبلغ 33.5 میلیون دلار Link3D را خریداری کرد. مانند Oqton، پلتفرم ابری Link3D کار را ردیابی و گردش کار AM را ساده می‌کند.
یکی از جدیدترین خریدها در سال 2021، خرید شرکت Wohlers Associates توسط ASTM International است. این دو شرکت با هم تلاش می‌کنند تا از برند Wohlers برای پشتیبانی از پذیرش گسترده‌تر AM در سراسر جهان استفاده کنند. Wohlers Associates از طریق مرکز تعالی ASTM AM، به تولید گزارش‌ها و سایر نشریات Wohlers و همچنین ارائه خدمات مشاوره‌ای، تجزیه و تحلیل بازار و آموزش ادامه خواهد داد.
صنعت تولید افزایشی به بلوغ رسیده است و بسیاری از صنایع از این فناوری برای طیف وسیعی از کاربردها استفاده می‌کنند. اما چاپ سه‌بعدی جایگزین اکثر اشکال دیگر تولید نخواهد شد. در عوض، از آن برای ایجاد انواع جدید محصولات و مدل‌های تجاری استفاده می‌شود. سازمان‌ها از AM برای کاهش وزن قطعات، کاهش زمان تحویل و هزینه‌های ابزار و بهبود شخصی‌سازی و عملکرد محصول استفاده می‌کنند. انتظار می‌رود صنعت تولید افزایشی با ظهور شرکت‌ها، محصولات، خدمات، برنامه‌ها و موارد استفاده جدید، اغلب با سرعت سرسام‌آور، به مسیر رشد خود ادامه دهد.