كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

الطباعة ثلاثية الأبعاد إحدى طرق التصنيع الإضافي. وتتميز هذه التقنية بكونها تجمع طبقات من المواد وتدمجها معًا لإنشاء مجسمات حقيقية، بدلاً من استخدام قالب أو كتلة من المواد. ويمكنها بناء أشكال هندسية أكثر تعقيدًا من التقنيات التقليدية، كما أنها سريعة في أغلب الأحيان، وتكاليف تركيبها ثابتة ومنخفضة، وتتوافق مع مجموعة متنامية من المواد. ويستفيد قطاع الهندسة منها بشكل كبير، لا سيما في تصميم النماذج الأولية وتطوير الأشكال الهندسية خفيفة الوزن.

التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد

كثيراً ما يرتبط مصطلح "الطباعة ثلاثية الأبعاد" بثقافة الصنّاع، والهواة والمتحمسين، وطابعات سطح المكتب، وتقنيات الطباعة المتاحة مثل FDM، والمواد منخفضة التكلفة مثل ABS وPLA. ويعود ذلك جزئياً إلى الطابعات المكتبية بأسعار معقولة التي انبثقت من حركة RepRap، مثل طابعتي MakerBot وUltimaker الأصليتين، اللتين ساهمتا في انتشار الطباعة ثلاثية الأبعاد وازدهارها عام 2009.

تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد: مستقبل التصنيع المبتكر

ثلاثي الأبعاد الطباعة تاريخ

بدأت منتجات الطباعة ثلاثية الأبعاد في سبعينيات القرن الماضي. في عام ١٩٨١، جرّب العالم الياباني الدكتور كوداما، أول من وصف طريقة تصنيع الطباعة طبقة تلو الأخرى، الطباعة ثلاثية الأبعاد، وابتكر بنفسه تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد SLA (الطباعة المجسمة)، وهي عبارة عن راتنج حساس للضوء مُبلمر بالأشعة فوق البنفسجية.

وبعد بضع سنوات، أجرى العالم الأمريكي تشارلز هول أيضًا بحثًا معمقًا حول تقنية SLA، وقدّم أول براءة اختراع لها في عام 1986. أسس شركة 3D Systems وأصدر أول منتج تجاري لها، SLA-1، في عام 1988. (الصورة أدناه)

يمكن القول أن تقنية SLA هي أقدم تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد تم تطويرها، لذا متى ظهرت تقنية SLS (التلبيد الانتقائي بالليزر) وFDM (نمذجة الترسيب المندمج) في وقت لاحق؟

في عام ١٩٨٨، حصل الأمريكي كارل ديكارد على براءة اختراع لتقنية SLS في جامعة تكساس، وهي تقنية أخرى للطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث يدمج الليزر جزيئات المسحوق محليًا للطباعة. وفي العام نفسه، تقدم سكوت كرامب، أحد مؤسسي شركة ستراتاسيس، بطلب براءة اختراع لنمذجة الترسيب المندمج (FDM). بين عامي ١٩٨٠ و١٩٩٠، سُجِّلت براءات اختراع لجميع التقنيات الرئيسية الثلاث للطباعة ثلاثية الأبعاد، مما شكل بداية فترة من التطور السريع في هذه الصناعة.

في أوروبا، أنشأت شركة EOS GmbH نظام تصميم للطباعة ثلاثية الأبعاد: نظام "Stereos". واليوم، تُستخدم نماذجها المطبوعة ثلاثية الأبعاد في القطاع الصناعي في جميع أنحاء العالم لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد SLS (التلبيد الانتقائي بالليزر) للبلاستيك والمعادن المعترف بها.

في عام 1992، حصلت شركة Stratasys على براءة اختراع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM (النمذجة بالترسيب المندمج)، والتي طورت الطابعات ثلاثية الأبعاد لتلبية الاحتياجات المختلفة للعديد من المهنيين والأفراد.

بين عامي ١٩٩٣ و١٩٩٩، ظهرت تقنيات متنوعة في صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد. وفي الوقت نفسه، طُوِّرت المزيد والمزيد من برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) وبرامج النمذجة ثلاثية الأبعاد، على سبيل المثال، نموذج ساندرز الأولي (المعروف الآن باسم Solidscape)، الذي كان من أوائل البرامج التي ابتكرها المشاركون.

تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المجالات

في عام ٢٠٠٨، طُرح أول طرف اصطناعي مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما زاد من انتشار الطباعة ثلاثية الأبعاد في وسائل الإعلام. واكتشف الناس أن الطباعة ثلاثية الأبعاد لا تقتصر على طباعة الأجزاء التقليدية فحسب، بل تُستخدم أيضًا في إصلاح جسم الإنسان. يجمع هذا المشروع الطبي المذهل للطباعة ثلاثية الأبعاد جميع أجزاء الطرف البيولوجي، ويمكن طباعته "كما هو" دون أي تجميع لاحق. واليوم، ومع المسح الضوئي ثلاثي الأبعاد، أصبحت الأطراف الاصطناعية الطبية والتقويمية المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أقل تكلفة وأسرع في تلبية احتياجات المرضى. علاوة على ذلك، يتم تحسين هذه الأطراف الاصطناعية وتكييفها بشكل متزايد مع شكل جسم المريض. وتوفر الطباعة ثلاثية الأبعاد فرصًا جديدة للتخصيص الشامل. (أضف صورة)

شهد عام ٢٠٠٩ دخول براءات اختراع FDM إلى مجال الاستهلاك الشامل، مما فتح آفاقًا جديدة للابتكارات الواسعة في طابعات FDM ثلاثية الأبعاد. ومع انخفاض أسعار طابعات FDM المكتبية، ازداد اهتمام الناس بتطور صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد.

في عام ٢٠١٣، ذكر الرئيس الأمريكي باراك أوباما الطباعة ثلاثية الأبعاد في خطابه عن حالة الاتحاد كأسلوب الإنتاج الرئيسي للمستقبل، مما جعل "الطباعة ثلاثية الأبعاد" مصطلحًا شائعًا للغاية. والآن، أصبحت مكانتها بارزة جدًا في أذهان الجمهور. ويتزايد عدد الشركات الصغيرة والمتوسطة التي تستفيد من النماذج الأولية منخفضة التكلفة التي توفرها الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتدمجها بشكل كامل في عمليات التكرار والابتكار والإنتاج لديها.

سيارة بتصميم مطبوع ثلاثي الأبعاد

فيما يتعلق بتطبيقات البناء، أصبحت المنازل المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد واقعًا ملموسًا. انتقل الناس إلى هذه المنازل المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لأول مرة في عام ٢٠١٨. تبلغ مساحة المنزل ١٠٢٢ قدمًا مربعًا، وهي مساحة مناسبة جدًا للسكن. استغرقت عملية الطباعة يومين فقط.

نظام تصنيف الطباعة ثلاثية الأبعاد على أساس أوجه التشابه والاختلاف بين التصنيع والطباعة ثلاثية الأبعاد

لنأخذ الكرة المجوفة مثالاً. يوجد على سطحها أكثر من اثنتي عشرة زهرة. إذا عولجت بالآلات التقليدية، فسيكون ذلك متعباً للغاية، ويجب تعديل الأنماط واحداً تلو الآخر. أما إذا اخترت الطباعة ثلاثية الأبعاد، فلا يوجد هدر للمواد، ولذلك تُعرف أيضاً بالتصنيع الإضافي، أي استخدام طريقة التراكم التدريجي للمواد لتصنيع الأجزاء المادية. الطريقة التقليدية هي صنع الجنين أولاً، ثم إزالة المادة الزائدة، والمادة المتبقية هي الشكل المطلوب. في حال اكتشاف أي مشكلة، من الضروري فتح القالب وتعديله؛ بينما تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد تراكماً تدريجياً للمواد، مما يتيح رؤية المنتج النهائي بسرعة.

تحقيق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

تُطبّق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في الإنتاج الصناعي. ما تحتاج إليه هذه التقنية ليس الجسم المادي، بل النموذج الرقمي. إذا كنت ترغب في طباعة الجسم الحقيقي أمامك بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، فعليك استخدام جهاز كمبيوتر لنمذجته، أو استخدام ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد لتحويله إلى شكل رقمي، أي نموذج ثلاثي الأبعاد، ويمكنك طباعة كل شيء في غضون خمس عشرة دقيقة فقط. حاليًا، تنقسم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى أربع فئات رئيسية: FDM، وDLP/SLA، وSLS.

SLS-- عملية تشكيل التلبيد بالليزر

SLS هو مسحوق عالي التقنية نسبيًا يذوب في ظروف درجات الحرارة العالية للإشعاع بالليزر. انشر طبقة من المسحوق الرقيق على طاولة العمل، وامسح المقطع العرضي للطبقة بشعاع الليزر لرفع درجة الحرارة إلى نقطة الانصهار، وذلك لتحقيق التلبيد والترابط، وكرر نشر المسحوق والتلبيد والطحن والتجفيف حتى يتم تشكيل النموذج. في الواقع، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد هي طباعة ثنائية الأبعاد مرارًا وتكرارًا. إذا قمت بتقطيع جسم رقيق جدًا، فستجد أن كل قطعة لها شكل. إذا جمعت جميع الأشكال معًا، فستحصل على جسم هيكلي ثلاثي الأبعاد. لذلك نستخدم الليزر لرسم الرسومات. مقاومة الأجزاء المصبوبة SLS للبيئة (درجة الحرارة والرطوبة والتآكل الكيميائي) مماثلة لمقاومتها للمواد البلاستيكية الحرارية؛ في حين أن مقاومة الأجزاء المصبوبة SLA ضعيفة نسبيًا، على سبيل المثال، فإن قطع العمل SLA المصبوبة براتنج الإيبوكسي عرضة للرطوبة والمواد الكيميائية. التآكل، سوف يلين ويتشوه في بيئة أعلى من 38 درجة مئوية، ولكن دقة التشكيل عالية.

SLA -- عملية صب الصور المجسمة

تقنية SLA هي تقنية معالجة ضوئية متطورة نسبيًا في الصين حاليًا. تعتمد تقنية "الطباعة الحجرية المجسمة" على تحديد شكل الطبقة الأولى من الجسم على سطح الراتنج السائل بشعاع الليزر، ثم تُخفض منصة الإنتاج مسافة معينة (بين 0.05 و0.025 مم)، ثم تُغمر الطبقة المتصلبة في الراتنج السائل، وهكذا. الراتنج المستخدم هو راتنج حساس للضوء، يتحول إلى حالة صلبة بعد تعريضه لشعاع الليزر، مما يجعل نموذج التشكيل سريعًا ودقيقًا.

DLP-- عملية صب الصور المجسمة

معالجة الضوء الرقمي DLP، والمعروفة باسم تقنية التشكيل بالليزر. تتشابه تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد DLP مع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد SLA في العديد من أوجه التشابه. إذا تم تشبيه الإنتاج برسم دائرة بقلم رصاص، فإن تقنية SLA تعادل الرسم طبقة تلو الأخرى، بينما تعادل DLP الختم مباشرة. إن الإنتاج الضخم الذي نسعى إليه له نقطتان مهمتان للغاية، إحداهما الكفاءة والأخرى تكلفة المواد. توجد طابعة ثلاثية الأبعاد يمكنها الطباعة أسرع بمئات المرات من التصنيع التقليدي، وهي تقنية وجهاً لوجه، والتي طورتها شركة في شنتشن، Light Prism Technology. يستغرق الأمر من 2 إلى 5 ساعات لطباعة كرة مجوفة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM التقليدية، ويستغرق الأمر ساعة في أسرع وقت، ولكن لا يستغرق الأمر سوى حوالي 10 دقائق للطباعة باستخدام أحدث تقنية وجهاً لوجه. سرعة الطباعة مذهلة. بمجرد طرح هذه الطباعة ثلاثية الأبعاد في السوق، لا يزال التأثير على الحرف التقليدية كبيرًا.

FDM -- عملية صب الترسيب المندمج

بالمقارنة مع تقنيات DLP وSLS، تُعد تقنية FDM بسيطة نسبيًا، لذا فهي تحظى بجمهور واسع ويسهل دمجها في هذه الفئة. يُبنى النموذج الأولي مباشرةً من بيانات CAD ثلاثية الأبعاد باستخدام مادة بلاستيكية حرارية تُبثَّ في خيوط شبه منصهرة، تُرسَّب طبقة تلو الأخرى. تتميز تقنية FDM بهيكل ميكانيكي بسيط، وتصميم سهل، وانخفاض تكلفة التصنيع والصيانة وتكلفة المواد، وعدم تلويث البيئة. لذلك، تُعد FDM أيضًا التقنية الأكثر استخدامًا في الطابعات ثلاثية الأبعاد المكتبية المنزلية. إنها طريقة طباعة تقليدية نسبيًا، لا تستخدم الليزر وتتميز بتكلفة منخفضة، لكن دقتها ليست عالية وسرعتها بطيئة جدًا. إنها الطريقة الأسهل للجميع، وتُستخدم بشكل عام في سوق التعليم.

تأثير الطباعة ثلاثية الأبعاد على التصنيع والحرف التقليدية

مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد

(1) التخصيص

على سبيل المثال، إذا أخذنا طب الأسنان، فإن أسنان كل شخص مختلفة، ولكن الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تحل التناقض بين الإنتاج المخصص والإنتاج الضخم، حيث يتم إنتاج الغرسات والأقواس المخصصة بكميات كبيرة.

(2) عينة في الوقت الحقيقي

بفضل السرعة الفائقة للطباعة ثلاثية الأبعاد، يُصمّم المصمم نسخةً من المنتج صباحًا، ويتمكن القائد من رؤية المنتج النهائي عند الظهر، ثم يُصمّم نسخةً أخرى عند الساعة السادسة مساءً، ويتمكن من رؤية المنتج النهائي صباح اليوم التالي، مما يُسرّع بشكل كبير من تطوير المنتجات الجديدة. إذا لم تكن الطباعة ثلاثية الأبعاد معقدةً بشكل خاص، فيمكنها إنتاج المنتجات النهائية في 3 ساعات فقط، بينما تستغرق عملية الإثبات التقليدية من 4 إلى 6 أسابيع في كل مرة، مما يُحسّن أيضًا السرعة الإجمالية للتصميم الصناعي.

(3) لا تلوث

 بما أن جميع المواد الخام المُنتَجة صديقة للبيئة، فإن عملية الإنتاج بأكملها خالية من التلوث. لا يوجد تلوث بالغازات العادمة ومياه الصرف الصحي، ولا هدر للمواد المتبقية.

(4) البيانات

مع تطور طب الأسنان الرقمي، ستنخفض المتطلبات التقنية للأطباء بشكل كبير. يكفي المرضى استخدام الجهاز للمسح لمدة دقيقتين في المستشفى، ليتمكنوا من معرفة أسباب جميع مشاكل الأسنان وحلولها.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في تقويم الأسنان، وطباعة تقويمات شفافة مخصصة. أثناء الجراحة التجميلية، هل يجب تحريك الأسنان إلى اليسار أم إلى الأمام؟ كم مليمترًا يجب تحريكها؟ في الماضي، اعتمدت جراحة الأسنان فقط على الخبرة الشخصية للطبيب، لكن طب الأسنان الرقمي زاد من استقرار العملية وخفّض المتطلبات التقنية للأطباء.

(5) سريع

 مقارنةً بالعمليات الصناعية التقليدية، لا تتطلب الطباعة ثلاثية الأبعاد تحضيرات أولية كالقوى العاملة والنقل، بل تحتاج فقط إلى الآلات والمواد الخام، ويمكن إدخالها في الإنتاج بسرعة.

(6) الأتمتة

 يمكن القول إن هناك طابعة ثلاثية الأبعاد واحدة فقط بين الخيال الافتراضي والواقع. إنتاج الطباعة ثلاثية الأبعاد بمفتاح واحد يوفر الكثير من تكاليف العمالة والأخطاء البشرية.