مروری بر پرینترهای سه بعدی و تکنولوژی manufacture a

انقالب‌های صنعتی و عصر چاپ سه بعدی

اگر بخواهیم مروری بر پرینترهای سه بعدی و تکنولوژی manufacture a داشته باشیم باید از انقلاب‌های صنعتی شروع کنیم. انقالب‌های صنعتی اول، دوم و سوم، که از قرن ۱۸ تا قرن ۲۱ را در بر می‌گیرد، تغییر عمدهای در تولید و تولید ایجادکرد. ماشین‌های تولید در مقیاس انبوه در کنار نوآوری‌های قابل توجهی در ارتباطات، الکترونیک و حمل‌ونقل معرفی شدند. اتوماسیون فرآیند پدیدار شد و فناوری از برنامه نویسی آنالوگ به دیجیتال منتقل شد، که به طور قابل توجهی بر تولید تحت نظارت رایانه تأثیر گذاشت. در نتیجه، عرضه کالاها دستخوش تغییرات چشمگیری شد و به تقاضا برای افزایش حجم، تنوع، طراحی و سفارشی سازی محصول پرداخت. این‌ها با انتقال به انقالب صنعتی چهارم در دهه دوم قرن بیست و یکم و معرفی تولید افزودنی(AM)و چاپ سه بعدی (DP3)به اوج خود رسیدند.

در مقایسه با روش‌های تولید سنتی، AM و 3DP ، به‌عنوان نیروهای محرکه انقلاب کنونی، در توانایی خود در ساخت سریع ساختارهای پیچیده با هندسه‌های پیچیده و بسیار دقیق، ریزمعماری‌های متنوع و فضاهای توخالی یا اجسام داخلی مجزا برجسته هستند. سایر مزایای عمده عبارتند از: بهبود نرم افزار طراحی، کاهش قابل توجه هزینه و سادگی تولید، ارائه چاپ سه بعدی برای افرادی که سابقه قبلی در طراحی به کمک کامپی وتر ( CAD )، مهندسی یا ساخت افزودنی ندارند. بر خلاف روش‌های تولید سنتی، این روش مبتنی بر ساخت اشیا با افزودن متوالی لایه‌های مواد است. نیاز به سرعت در حال رشد برای محصولات با طرح‌ها، اهداف و مواد مختلف منجر به توسعه روش‌های مختلف چاپ سه بعدی شده است. به عنوان عامل محرک چهارمین انقلاب صنعتی، پرینت سه بعدی تأثیری جهانی بر مراقبت‌های بهداشتی داشته است، به طوری که درمان‌های سفارشی بیمار با چاپ سه بعدی جایگزین روش‌های منسوخ شده‌ای شده است که بر رژیم‌های درمانی سیستمیک و عمومی تکیه دارند. این تغییر پارادایم مبتنی بر پرینت سه بعدی به سمت پزشکی دقیق اکنون، رژیم‌های درمانی فردی را ایجاد کرده است. بازار AM در دارو بین سال‌های ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۰ دو برابر شده و به ۱.۶۵ میلیارد دلار رسیده است و در حال حاضر سومین در صنعت است و پس از بازارهای خودرو و الکترونیک در رتبه دوم قرار دارد. این تغییرات تأثیر قابل توجهی در زمینه جراحی دهان و فک و صورت ( OMFS ) داشته است، جایی که جراحان در عمل روزمره به پزشکی دقیق متکی هستند.

مروری بر تکنولوژی‌های AM

از زمان اولین گزارش چاپ سه بعدی در سال ۱۹۸۶ توسط چارلز هال که از استریولیتوگرافی ( SLA ) بر اساس لایه‌های جامدکننده رزین فوتوپلیمر استفاده کرد، فناوری‌های چاپ سه بعدی با سرعت خیره کننده‌ای تکامل یافته‌اند. AM و DP3 ، همچنین به عنوان شکلی از نمونه سازی سریع شناخته می‌شود، به ایجاد یک شی فیزیکی از یک مدل دیجیتالی سه بعدی، معمولاً با قرار دادن یا جامد کردن یک ماده، لایه به لایه متوالی اشاره دارد .

در میان استانداردهای موجود برای اصطلاحات چاپ سه بعدی،« اصطلاحات استاندارد ISO/ASTM 52900 برای تولید افزودنی-اصول عمومی-اصطلاحات» اخیرا منتشر شده  اصطلاحات کلیدی را برای توصیف تکنیک‌ها و زیرساخت‌های 3DPایجاد و تعریف می‌کند. ما همکاران خود را تشویق می‌کنیم تا از اصطلاحات قابل قبول در نشریات برای ارتقای ثبات در ادبیات استفاده کنند. این امر به ویژه با توجه به استفاده روزافزون از فناوری‌های 3DP در زمینه OMFS از اهمیت بالایی برخوردار است. ما در اینجا فناوری‌های AM را برای ساخت و ساخت ایمپلنت در شش فرآیند مجزا طبقه‌بندی می‌کنیم

( Binder jetting ) بایندر جتینگ فرآیندی است که در آن محلول‌های مایع از هد چاپ بیرون کشیده می‌شوند و در بالای محیط پودری قرار می‌گیرند. قطرات به رسانه‌های پودری نفوذ می‌کنند و منجر به کراس لینک شدن مواد می‌شود که به دنبال آن لایه جدیدی از مواد وارد می‌شود. مزیت اصلی این فناوری هزینه کم مواد و قابلیت چاپ رنگی است. با این حال رزولوشن پایین مرتبط با این روش و پودر تنظیم نشده و مقاومت فشاری پایین از ایرادات اصلی آن است. در دندانپزشکی و OMFS ، این تکنیک عمدتا برای ایجاد مدلهای مطالعه آناتومیک و پروتزها استفاده می‌شود.( شکل زیر)

در( directed energy deposition ) رسوب دهی انرژی هدا یت شده ، )همچنین به عنوان تولید افزودنی پرتو الکترونی[ EBAM ] شناخته می شود)، یک پرتو الکترونی پرانرژی برای ذوب انتخابی و ذوب فلز مورد نظر بر روی یک سکوی ساختمانی استفاده می‌شود، که مواد جدید از طریق یک نازل بر روی آن رسوب می‌کنند. این چاپگرها سرعت را با دماهای بالا ارائه می‌دهند و نیاز به عملیات حرارتی پس از فرآیند را از بین می‌برند. علاوه بر این، محصولات بسیار متراکم با تخلخل کنترل شده می‌توانند ساخته شوند، مانند صفحات تیتانیوم سفارشی و مدل‌هایی برای کرانیوپلاستی یا بازسازی فک پایین. با این حال، فناوری، و همچنین مواد، گران هستند. ذرات معلق در هوا نیز در طول فرآیند ساخت تولید می‌شوند و ممکن است خطرات سلامتی را به همراه داشته باشند. قطعات چاپی دارا ی سطح ناهمواری هستند و وضوح آن پایین است و این فناوری را برا ی کاربردهای پزشکی دقیق، کمتر محبوب می کند.

( Material extrusion ) اکستروژن مواد (همچنین با نام‌های مدلسازی رسوب ذوب شده  [FDM]  و ساخت رشته فیلامنت ذوب شده [ FFF ] نیز شناخته می‌شود). یک شکل بسیار رایج از چاپ سه بعدی است که در آن یک ماده یا پلیمر به روشی کنترلشده از سر چاپی که معمولاً حاوی یک گرمای ش، روی پلتفورم از پیش ساخته شده. این فناوری بسته به مواد مورد استفاده و تنظیمات چاپ، محصولات با تخلخل بالا با مقاومت مکانیکی متغیر ارائه می‌دهد. هم مواد مورد استفاده و هم چاپگرها قیمت پایین تا متوسطی دارند. در تنظیمات بالینی، بسته به مواد چاپی، گزینه‌های استریل کردن وجود دارد. یکی از محدودیت‌های اصلی این فناوری از تنوع محدود مواد چاپی ناشی می‌شود که عمدتا پلیمرهای ترموپلاست یک هستند. علاوه بر این، پیوند بین لای‌های محدود است ، و این فناوری تنها به میزان پایینی از پیچیدگی در محصولات نهایی اجازه می‌دهد، و آن‌ها را برای کاربردهای بیومدیکال کمتر از حد مطلوب می‌سازد. برآمدگی‌ها و مواد پشتیبانی باید به صورت دستی برداشته شوند. بنابراین، در عمل بالینی، این تکنیک عمدتا برای تولید مدل‌های آناتومیک و پروتزهای موقت و
ترمیم استفاده می‌شود

شکل: تجسم با استفاده از پرینت سه بعدی مدل ساخته شده با چاپ سه بعدی Binder-Jet چند رنگ. ضایعه با رنگ قرمز نشان دهنده استئوسارکوم در فک بالا است.

(Material jetting ) جت کردن مواد (همچنین به عنوان DOD شناخته می‌شود) شامل جت کردن یک محیط قابل درمان، مانند پلیمرهای حساس به نور، بر روی یک صفحه ساختمانی از طریق یک هد چاپ جوهر افشان است. این‌ها لایه به لایه خشک می‌شوند در حالی که پلتفرم به طور مداوم پایین می‌آید، با ساختار ساپورت مشابه پرینت SLA. این متدولوژی دقت بالا و سطوح صاف را در یک فرآیند نسبتا سریع و کم هزینه فراهم می‌کند. با این حال، مواد توزیع شده گران و نامرتب هستند و می‌توانند باعث تحریک بافت‌های زنده شوند. علاوه بر این، استریلیزاسیون حرارتی یک گزینه نیست و محصولات دارای ماندگاری محدودی هستند. بنابراین، کاربردهای اصلی در این زمینه برای مدل‌های دندانی و پروتزهای موقت است.

در( powder bed fusion ) همجوشی بستر پودری (همچنین با نام‌های[ selective laser sintering [ SLS  و چاپ مستقیم فلز[DMP ] نیز شناخته می‌شود). یک محیط پودری روی یک پلتفورم توزیع می‌شود و سپس تحت حرارت شدید و متمرکز قرار می‌گیرد که ذرات پودر را به هم پیوند می‌دهد مواد مورد استفاده متنوع بوده و شامل الاستومرها، تیتان یوم، کامپوزیت‌ها و آلیاژهای فلزی است. استفاده از لیزر این فرآیند را بسیار دقیق می‌کند و محصولات مبتنی بر فلز می‌توانند یکپارچگی مکانیکی بسیار بالایی ارائه دهند. مزیت اصلی دیگر از این واقعیت ناشی می‌شود که برای ساخت اشکال هندسی پیچیده به هیچ ماده پشتیبانی نیاز نیست. محصولات نهایی قابل اتوکلاو هستند و می‌توانند به سرعت تولید شوند. عیب اصلی فرآیند زیرساخت سنگین مورد نیاز برای فر آیند تولید و همچنین هزینه بالای فناوری است. این فرآیند گرد و غبار ذرات خطرناکی تولید می‌کند و ممکن است به یک مرحله پس از تولید پیچیده نیاز باشد، به خصوص به دلیل سطح ناهموار محصولات چاپ شده. این روش برای تولید پروتز دندان، پروتز و ایمپلنت استفاده شده است.

(Vat polymerization ) پلیمریزاسیون Vat (همچنین به عنوان دستگاه استریولیتوگرافی [SLA و پردازش نور مستقیم [ DLP] نیز شناخته می‌شود). فرآیندی است که در آن یک محلول پلیمری حساس به نور در یک ظرف یا محفظه، با استفاده از یک منبع نور خشک می‌شود. این فرآیند سریع است و ساخت سازه‌های بسیار پیچیده را با دقت بالا امکان پذیر می‌کند. ثابت شده است که در ساخت ترمیم‌های دائمی و موقت، مدل‌های دندانی و راهنماهای جراحی بسیار دقیق است. با این حال، رزین‌های مورد استفاده اشفته هستند و در بیشتر موارد زیست سازگار نیستند و دارای خواص مکانیکی ضعیفی هستند. محصولات نهایی دارای ماندگاری محدودی هستند و ممکن است برای جلوگیری از انتشار گسترده مونومرهای غیر پلیمریزه نیاز به پس پردازش اضافی و همچنین مراحل شستشوی دقیق داشته باشند.

در این مقاله مروری بر پرینترهای سه بعدی و تکنولوژی manufacture a دادیم در زیر منابعی که برای ترجمه و نوشتن مقاله استفده شد را برای شما قراردادیم.

منابع:

Schwab, K. The Fourth Industrial Revolution: What It Means and How to Respond; World Economic Forum: New York, NY, USA, 2016; Available online: https://www.weforum.org/agenda/2016/01/the-fourth-industrial-revolution-what-it-means-and-how-to- respond/ (accessed on 14 February 2022).
Ngo, T.D.; Kashani, A.; Imbalzano, G.; Nguyen, K.T.Q.; Hui, D. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Compos. Part B Eng. 2018, 143, 172–۱۹۶. [CrossRef] Steenhuis, H.J.; Pretorius, L. The additive manufacturing innovation: A range of implications. J. Manuf. Technol. Manag. 2017, 28, 122-143. [CrossRef] Barnatt, C. 3D Printing: The Next Industrial Revolution; CreateSpace: Scotts Valley, CA, USA, 2013.
Aguado, B.A.; Grim, J.C.; Rosales, A.M.; Watson-Capps, J.J.; Anseth, K.S. Engineering precision biomaterials for personalized medicine. Sci. Transl. Med. 2018, 10, eaam8645. [CrossRef] [PubMed] Wohlers, T.; Caffrey, T.; Campbell, I. Wohlers Report 2016. 2016. Available online: https://wohlersassociates.com/press71.html (accessed on 18 February 2022).
Hull, C. Apparatus for Production of Three Dimensional Objects by Stereolithography. U.S. Patent 4,575,330, 11 March 1986. Alexander, A.E.; Wake, N.; Chepelev, L.; Brantner, P.; Ryan, J.; Wang, K.C. A guideline for 3D printing terminology in biomedical research utilizing ISO/ASTM standards. 3D Print. Med. 2021, 7, 8. [CrossRef] Louvrier, A.; Marty, P.; Barrabé, A.; Euvrard, E.; Chatelain, B.; Weber, E.; Meyer, C. How useful is 3D printing in maxillofacial surgery? J. Stomatol. Oral Maxillofac. Surg. 2017, 118, 206–۲۱۲. [CrossRef] Ziaee, M.; Crane, N.B. Binder jetting: A review of process, materials, and methods. Addit. Manuf. 2019, 28, 781–۸۰۱. [CrossRef] Lores, A.; Azurmendi, N.; Agote, I.; Zuza, E. A review on recent developments in binder jetting metal additive manufacturing: Materials and process characteristics. Powder Metall. 2019, 62, 267–۲۹۶. [CrossRef] Stansbury, J.W.; Idacavage, M.J. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities. Dent. Mater. 2016, 32, 54–۶۴. [CrossRef] Anadioti, E.; Kane, B.; Soulas, E. Current and Emerging Applications of 3D Printing in Restorative Dentistry. Curr. Oral Health Rep. 2018, 5, 133-139. [CrossRef] Mai, H.N.; Lee, K.B.; Lee, D.H. Fit of interim crowns fabricated using photopolymer-jetting 3D printing. J. Prosthet. Dent. 2017, 118, 208–۲۱۵. [CrossRef] Saboori, A.; Gallo, D.; Biamino, S.; Fino, P.; Lombardi, M. An overview of additive manufacturing of titanium components by directed energy deposition: Microstructure and mechanical properties. Appl. Sci. 2017, 7, 883. [CrossRef] Mazzoli, A.; Germani, M.; Raffaeli, R. Direct fabrication through electron beam melting technology of custom cranial implants designed in a PHANTOM-based haptic environment. Mater. Des. 2009, 30, 3186-3192. [CrossRef] Ran, Q.; Yang, W.; Hu, Y.; Shen, X.; Yu, Y.; Xiang, Y.; Cai, K. Osteogenesis of 3D printed porous Ti6Al4V implants with different pore sizes. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2018, 84, 1–۱۱. [CrossRef] [PubMed] Park, J.H.; Odkhuu, M.; Cho, S.; Li, J.; Park, B.Y.; Kim, J.W. 3D-printed titanium implant with pre-mounted dental implants for mandible reconstruction: A case report. Maxillofac. Plast. Reconstr. Surg. 2020, 42, 28. [CrossRef] Roth, G.A.; Geraci, C.L.; Stefaniak, A.; Murashov, V.; Howard, J. Potential occupational hazards of additive manufacturing. J. Occup. Environ. Hyg. 2019, 16, 321–۳۲۸. [Cross Ref] Svetlizky, D.; Das, M.; Zheng, B.; Vyatskikh, A.L.; Bose, S.; Bandyopadhyay, A.; Schoenung, J.M.; Lavernia, E.J.; Eliaz, N. Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physical characteristics, defects, challenges and application. Mater. Today 2021, 49, 271-295. [CrossRef] Heras, E.S.; Haro, F.B.; María, J.; Del Burgo, A.; Marcos, M.E.I. Plate auto-level system for fused deposition modelling (FDM) 3D printers. Rapid Prototyp. J. 2017, 23, 401-413. [CrossRef] Culmone, C.; Smit, G.; Breedveld, P. Additive manufacturing of medical instruments: A state-of-the-art review. Addit. Manuf. 2019, 27, 461–۴۷۳. [CrossRef] Fallon, J.J.; McKnight, S.H.; Bortner, M.J. Highly loaded fiber filled polymers for material extrusion: A review of current understanding. Addit. Manuf. 2019, 30, 100810. [CrossRef] Kessler, A.; Hickel, R.; Reymus, M. 3D printing in dentistry-state of the art. Oper. Dent. 2020, 45, 30-40. [CrossRef] Arnesano, A.; Kunjalukkal Padmanabhan, S.; Notarangelo, A.; Montagna, F.; Licciulli, A. Fused deposition modeling shaping of glass infiltrated alumina for dental restoration. Ceram. Int. 2020, 46, 2206–۲۲۱۲. [CrossRef] Brandt, J.; Lauer, H.C.; Peter, T.; Brandt, S. Digital process for an implant-supported fixed dental prosthesis: A clinical report. J. Prosthet. Dent. 2015, 114, 469–۴۷۳. [CrossRef] [PubMed] Tee, Y.L.; Tran, P.; Leary, M.; Pille, P.; Brandt, M. 3D Printing of polymer composites with material jetting: Mechanical and fractographic analysis. Addit. Manuf. 2020, 36, 101558. [CrossRef] Väisänen, A.J.K.; Hyttinen, M.; Ylönen, S.; Alonen, L. Occupational exposure to gaseous and particulate contaminants originating from additive manufacturing of liquid, powdered, and filament plastic materials and related post-processes. J. Occup. Environ. Hyg. 2019, 16, 258-271. [CrossRef] Hazeveld, A.; Huddleston Slater, J.J.R.; Ren, Y. Accuracy and reproducibility of dental replica models reconstructed by different rapid prototyping techniques. Am. J. Orthod. Dentofac. Orthop. 2014, 145, 108-115. [Cross Ref] Jain, R.; Supriya, B.S.; Gupta, K. Recent Trends of 3-D Printing in Dentistry—A review. Ann. Prosthodont. Restor. Dent. 2016, 2, 101–۱۰۴.
Sutton, A.T.; Kriewall, C.S.; Leu, M.C.; Newkirk, J.W. Powder characterisation techniques and effects of powder characteristics on part properties in powder-bed fusion processes. Virtual Phys. Prototyp. 2017, 12, 3–۲۹. [CrossRef] Sun, S.; Brandt, M.; Easton, M. Powder bed fusion processes: An overview. In Laser Additive Manufacturing: Materials, Design, Technologies, and Applications; Elsevier Inc.: Amsterdam, The Netherlands, 2017; pp. 55-77. [CrossRef] Druzgalski, C.L.; Ashby, A.; Guss, G.; King, W.E.; Roehling, T.T.; Matthews, M.J. Process optimization of complex geometries using feed forward control for laser powder bed fusion additive manufacturing. Addit. Manuf. 2020, 34, 101169. [CrossRef] Olakanmi, E.O.; Cochrane, R.F.; Dalgarno, K.W. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties. Prog. Mater. Sci. 2015, 74, 401–۴۷۷. [CrossRef] Nouri, A.; Rohani Shirvan, A.; Li, Y.; Wen, C. Additive manufacturing of metallic and polymeric load-bearing biomaterials using laser powder bed fusion: A review. J. Mater. Sci. Technol. 2021, 94, 196–۲۱۵. [CrossRef] Alageel, O.; Abdallah, M.N.; Alsheghri, A.; Song, J.; Caron, E.; Tamimi, F. Removable partial denture alloys processed by laser-sintering technique. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 2018, 106, 1174–
1185. [CrossRef] [PubMed] Tunchel, S.; Blay, A.; Kolerman, R.; Mijiritsky, E.; Shibli, J.A. 3D Printing/Additive Manufacturing Single Titanium Dental Implants: A Prospective Multicenter Study with 3 Years of Follow-Up. Int. J. Dent. 2016, 2016, 8590971. [CrossRef] [PubMed] Li, X.; Xie, B.; Jin, J.; Chai, Y.; Chen, Y. 3D Printing Temporary Crown and Bridge by Temperature Controlled Mask Image Projection Stereolithography. Procedia Manuf. 2018, 26, 1023–۱۰۳۳. [CrossRef] Aly, P.; Mohsen, C. Comparison of the Accuracy of Three-Dimensional Printed Casts, Digital, and Conventional Casts: An in Vitro Study. Eur. J. Dent. 2020, 14, 189–۱۹۳. [CrossRef] Dikova, T. Production of high-quality temporary crowns and bridges by stereolithography. Scr. Sci. Med. Dent. 2019, 5, 33. [CrossRef] Sun, Y.; Luebbers, H.T.; Agbaje, J.O.; Schepers, S.; Politis, C.; Van Slycke, S.; Vrielinck, L. Accuracy of Dental Implant Placement Using CBCT-Derived Mucosa-Supported Stereolithographic Template. Clin. Implant Dent. Relat. Res. 2015, 17, 862–۸۷۰. [CrossRef] Kessler, A.; Reichl, F.X.; Folwaczny, M.; Högg, C. Monomer release from surgical guide resins manufactured with different 3D printing devices. Dent. Mater. 2020, 36, 1486–۱۴۹۲. [CrossRef]