یکی از شرکت‌های پیشرو در این عرصه، با خرید دستگاه پیشرفته‌ای به نام «السام» که توسط شرکت «ترموود» ساخته شده است، گامی بلند در جهت متنوع‌سازی سبد محصولات خود برداشته است. این دستگاه که قادر به چاپ قطعات پلاستیکی تا ابعاد ۴۰ در ۱۰ فوت است، با استفاده از فرآیند ذوب و رسوب‌گذاری، لایه‌های پلاستیک را روی هم می‌نشاند و قطعاتی با استحکام و دقت قابل قبول تولید می‌کند. جالب اینجاست که این دستگاه می‌تواند در دو حالت افقی و عمودی چاپ کند که این ویژگی، انعطاف‌پذیری بالایی در تولید اشکال پیچیده فراهم می‌آورد. با این حال، سرمایه‌گذاری اولیه برای خرید این دستگاه، عمدتاً بر اساس پیش‌بینی‌های خوش‌بینانه از بازار برنامه‌های جدید هواپیمایی تجاری انجام شده بود؛ اما وقوع همه‌گیری جهانی کووید-۱۹ و همچنین بحران‌های پیشین در صنعت هوانوردی، مسیر استفاده از این فناوری را به سمت بازارهای جایگزین و کاربردهای نوین هدایت کرد.

مهم‌ترین چالش فراروی پذیرش گستردهٔ این فناوری، نگرانی مشتریان دربارهٔ عملکرد قطعات چاپ‌شده در شرایط سخت کاری است. قالب‌های هوافضایی معمولاً باید در دماهای بالا (نزدیک به ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد) و تحت فشار قابل توجهی، شکل و ابعاد خود را با دقت یک دهم هزارم اینچ حفظ کنند. از آنجا که قطعات چاپ‌شده با روش افزودنی، دارای خواص ناهمسانگرد هستند؛ یعنی در جهت‌های مختلف رفتاری متفاوت از خود نشان می‌دهند، روش‌های معمول تحلیل مهندسی که برای مواد همگن طراحی شده‌اند، پاسخگوی نیاز نیستند. به همین دلیل، پژوهشگران با بهره‌گیری از روش‌های نوین مدل‌سازی عددی، موفق به توسعهٔ الگوریتمی شدند که با دقت بالایی، تغییرات ابعادی قطعات را تحت تأثیر دما و نیرو پیش‌بینی می‌کند. در این روش، قطعه به هزاران مکعب کوچک (معروف به مش وکسل) تقسیم می‌شود که هر یک دارای خواص مادی خاص خود هستند و این امکان را فراهم می‌آورد که رفتار کل قطعه به صورت بسیار دقیق شبیه‌سازی شود.

برای اعتبارسنجی این مدل‌های کامپیوتری، آزمایش‌های عملی گسترده‌ای بر روی قطعات نمونه انجام شد. در یک آزمایش حرارتی، قطعه تا دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد گرم شد و تغییرات ابعاد آن با دقت میکرونی اندازه‌گیری گردید. نتایج نشان داد که مدل کامپیوتری تا ۸۸ درصد از رشد حرارتی قطعه را به درستی پیش‌بینی می‌کند که برای یک روش نوین، عملکردی بسیار قابل قبول است. در آزمایش استاتیکی نیز، نیرویی معادل ۲۲۵ کیلوگرم بر قطعه وارد شد و مشخص گردید که مدل‌سازی، نتایجی محافظه‌کارانه (یعنی ۳۷ درصد بیش از حد واقعی) ارائه می‌دهد. این ویژگی از آن جهت ارزشمند است که اگر مدل بگوید قطعه تحت بار مشخصی سالم می‌ماند، می‌توان با اطمینان بیشتری روی عملکرد آن حساب کرد؛ بنابراین مهندسان می‌توانند بدون نیاز به آزمایش‌های پرهزینه بر روی هر قطعه، از استحکام کافی آن اطمینان حاصل کنند.

یکی از نوآورانه‌ترین راهکارهای ارائه‌شده در این پژوهش، تغییر اساسی در فرآیند ساخت به منظور کاهش چشمگیر هزینه‌هاست. در روش متداول، تمامی قطعه از جمله ساختار پشتیبان، به صورت یکپارچه در یک نوبت چاپ می‌شود که این روش برای قطعات بزرگ، زمان و مواد اولیه بسیار زیادی مصرف می‌کند. پژوهشگران با الهام از صنایع کشتی‌سازی و توربین‌های بادی، ایده‌ای خلاقانه ارائه دادند: به جای چاپ کل قطعه، تنها رویهٔ کار (سطحی که با مواد کامپوزیتی تماس پیدا می‌کند) توسط دستگاه چاپ شود و ساختار پشتیبان با استفاده از لوله‌های فولادی استاندارد که در کارخانه به وفور یافت می‌شود، ساخته گردد. این روش ساده اما هوشمندانه، مزایای متعددی دارد: اول اینکه هزینهٔ چاپ پلاستیک که بسیار گران‌تر از فولاد است، به شدت کاهش می‌یابد؛ دوم اینکه می‌توان رویهٔ قطعه را به چند بخش کوچک‌تر تقسیم کرد و همزمان چاپ نمود که زمان تولید را به یک‌چهارم می‌رساند؛ سوم اینکه اتصال این دو بخش با پیچ و مهره انجام می‌شود که امکان تعمیر و تعویض آسان را فراهم می‌کند. در یک مطالعهٔ موردی بر روی قطعه‌ای به طول ۷ فوت، این روش بیش از ۱۲۰۰ کیلوگرم مواد پلاستیکی را ذخیره کرد و هزینهٔ نهایی را تا ۳۰ درصد کاهش داد.

فراتر از مباحث فنی، این پژوهش به جنبه‌های عملیاتی و مدیریتی نیز پرداخته است. یکی از یافته‌های جالب توجه این بود که زمان ماشین‌کاری قطعات چاپ‌شده، به مراتب بیشتر از زمان خود چاپ است. به عبارت دیگر، اگرچه دستگاه «السام» قطعه را به سرعت تولید می‌کند، اما پرداخت نهایی سطح، صاف‌کاری و رساندن آن به دقت مورد نظر، زمان‌برترین بخش فرآیند محسوب می‌شود. برای حل این معضل، مجموعه‌ای از آزمایش‌های سیستماتیک برای بهینه‌سازی پارامترهای ماشین‌کاری طراحی شده است که شامل تغییر سرعت برش، عمق تراش و نرخ پیشروی ابزار می‌باشد. هدف این است که بدون کاهش کیفیت نهایی، زمان ماشین‌کاری تا یک‌سوم کاهش یابد. همچنین، برای رفع نگرانی مشتریان دربارهٔ مقاومت شیمیایی این قطعات، آزمایش‌های استانداردی بر روی نمونه‌های چاپ‌شده در معرض حلال‌های رایج صنعتی مانند استون و الکل ایزوپروپیل انجام شده است که نتایج آن به صورت نمونه‌های فیزیکی در شرکت نگهداری می‌شود تا در صورت درخواست مشتری، قابل ارائه باشد.

در نهایت، یکی از دستاوردهای کلیدی این پروژه، تدوین دستورالعمل‌های طراحی ویژه برای این فناوری است. از آنجا که مهندسان طراح معمولاً با اصول و محدودیت‌های ساخت افزایشی آشنایی کامل ندارند، مجموعه‌ای از قوانین کاربردی و جداول راهنما تهیه شده است. این دستورالعمل‌ها شامل نکات ظریفی مانند حداکثر ضخامت قابل چاپ برای هر ماده، نحوهٔ تعبیهٔ نقاط اتصال برای جرثقیل، روش‌های تقسیم قطعات بزرگ به بخش‌های کوچک‌تر و همچنین جدول زمانی دقیق برای هر مرحله از فرآیند است. این مستندات نه تنها به یکپارچگی این فناوری در فرآیندهای طراحی کمک می‌کند، بلکه از بروز اشتباهات پرهزینه در مراحل اولیهٔ طراحی جلوگیری می‌نماید. به عبارت دیگر، این دستورالعمل‌ها پلی هستند میان دانش فنی پیچیدهٔ چاپ سه‌بعدی و نیازهای عملی مهندسان طراح که روزانه با نرم‌افزارهای مدل‌سازی سه‌بعدی سروکار دارند.

جمع‌بندی نهایی این پژوهش نشان می‌دهد که با وجود چالش‌های فنی و اقتصادی متعدد، مسیری روشن برای تجاری‌سازی قطعات چاپ سه‌بعدی در صنعت هوافضا وجود دارد. ترکیب مدل‌سازی عددی دقیق، بهینه‌سازی هوشمندانهٔ فرآیند ساخت و مستندسازی نظام‌مند تجربیات، می‌تواند فاصلهٔ میان یک فناوری نوپا و پذیرش گستردهٔ صنعتی را به طرز چشمگیری کاهش دهد. دستاوردهای این پروژه، نه تنها به عنوان یک نقشهٔ راه برای سایر شرکت‌های فعال در این حوزه قابل استفاده است، بلکه نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با تکیه بر خلاقیت مهندسی و روش‌های تحلیلی، موانع سنتی را کنار زد و افق‌های جدیدی را در صنعت هوافضا گشود. آنچه در این پژوهش به اثبات رسیده، این است که نوآوری در فرآیندهای ساخت، زمانی به ثمر می‌نشیند که با درک عمیق از نیازهای بازار و مشتری همراه باشد و این دقیقاً همان مسیری است که می‌تواند صنعت هوافضا را به سوی آینده‌ای کارآمدتر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و پایدارتر هدایت کند.