الطباعة ثلاثية الأبعاد التي غيرت عالم التصنيع والإنتاج وصارت تُستخدم في جميع المجالات وهذا ما يجعلها تعتبر كـ ثورة صناعية رابعة.
هذه التسمية لم تأتي من العدم بل هي نتيجة تطوير لمدة عقود من الزمن، حيث أصبحت تستخدم في شتى مجالات الانتاج و التصنيع.
بدء من الصناعات الثقيلة الى الصناعات الدقيقة مثل المجال الطبي، كما أنها اصبحت تستخدم في مجال البناء والعمران و الكثير من المجالات المختلفة.
تكنولوجيا عالية تتطور، ويومياً صحيتم اكشتاف مواد جديدة يمكن طباعته وتصنيع منتجات منها ذات جودة ومواصفات جيدة.
ثورة تكنولوجية سهلت تصنيع أي شئ ذو شكل معقد يصعب انتاجه بطرق التصنيع الأخرى.
لهذا ارتأينا أن نقدم مقال مفصل يتطرق الى جميع تفاصيل الطباعة ثلاثية الأبعاد حيث سنتحدث عن مايلي:
ماهي الطباعة ثلاثية الأبعاد ؟
كيف تعمل ؟
ماهي المواد التي يمكن طباعتها ؟
مجالات استخدامها ؟
ماهي الأشياء التي يمكن طباعتها؟
أهم تقينات التصنيع بـهذه التكنولوجيا ؟
الطباعة ثلاثية الأبعاد هي الثورة الصناعية الرابعة التي سهلت انتاج ما استحال تصنيعه سابقاً
محتـــوى المـــقال
ماهي الطباعة ثلاثية الأبعاد ؟
تسمى أيضا بـ التصنيع بالإضافة Additive Manufacturing، أي التصنيع من خلال اضافة طبقات فوق بعض.
حيث يتم طباعة طبقة فوق طبقة حتى يكتمل الشكل المراد تصنيعه.
هي تقنية تيتح انتاج أي شئ بدء من تصميم شكل ثلاثي الأبعاد بالرسم المدعم بالحسوب CAD ومن ثم طباعته.
تُمكننا من تصميم أي شي ومن ثمة طباعته بالمادة التي نريد سواء كانت بلاستييكة، معدنية أو حتى مادة غذائية.
لك أن تتخيل أنها أصحبت تستخدم في طباعة المنشأت العمرانية الكبيرة مثل الجسور، العمارات، الفيلات، المنازل.
كــيف تــعمل ؟
هي طريقة تصنيع ترتكز على ثلاث مراحلة وهي كالتالي:
الــتصميم الثلاثي المدعم بالحاسوب CAD
هذه المرحلة تتيح تصميم ثلاثي الأبعاد لأي شكل أو منتج مراد تصنيعه، كذالك يمكن محاكات وتجريب افتراضي للشكل الذي تم تصميمه.
يوجد العديد من برامج التصميم الصناعي التي تستخدم في مجالات الهندسة الميكانكية والعمرانية التي يمكن استخدامها.
كم يوجد برامج تصميم مخصصة فقط للتصنيع بالطباعة الثلاثية الأبعاد.
الـــتقطيع Slicing
هذه المرحلة مهمة جدا حيث يتم من خلالها تبسيط الشكل الثلاثي الأبعاد و تقطيعه الى مئات الطبقات الرقيقة.
حتى يتسنى التعرف عليه من قبل الطابعة الثلاثية ويسهل طباعة الطبقات فوق بعض بشكل مستمر حتى اكتمال القطعة.
التقطيع الثلاثي الأبعاد يتم بواسطة برامج مخصصة لهذا الغرض، لتسهل على الطابعة قراءة الأشكال الثلاثية ومن ثمة طباعتها.
دور هذه البرامج يكمن في تقطيع الشكل الثلاثي الأبعاد الى طبقات ومن ثمة رسم مسار لتحرك الطابعة.
عملية التقطيع تنتج لنا مسار بالإحداثيات لكل طبقة.
هذا المسار يكون على شكل اكواد برمجية ذات احداثيات تعرف ب G-Code.
أي انها اوامر برمجية تستطيع الطابعة الثلاثية قرائتها ومن ثمة تنفيذها لطباعة الشكل الثلاثي الأبعاد طبقة فوق طبقة حتى تنتهي منه.
الطبــــــاعـة
بعد تصميم الشكل وتقطيعه نكون قد تحصلنا على مسار ذو احداثيات وأكواد برمجية.
برنامج التقطيع يصدر ملف G-code للشكل الثلاثي الأبعاد الذي تم تصميمه و تقطيعه.
نرفع هذا الملف للطابعة و هي تقوم بتنفيذ المهام المدرحة في ملف G-code.
عندها تقوم الطابعة بطباعة الطبقات فوق بعض واحد تلو الأخرى حتى تكمل الشكل.
هذا هو المبدأ الأساسي لعمل جميع الطابعات الثلاثية بمختلف أنواعها وتقنياتها في الطباعة.
لماذا نقول مختلف أصنافها وتقنياتها؟؟ طبعاً عزيزي القرائ هنالك العديد من أنواع الطابعات الثلاثية.
وتختلف عن بعض في التقنية المستخدمة في الطباعة كما تختلف عن بعض في المواد التي يمكن طباعتها.
وهذا ما سوف سنوضحه الآن.
أنـواع الـــطباعة الــثلاثية الأبعاد
الفرق بين أنوع الطابعة الثلاثية الأبعاد يكمن في التكنولوجيا المُستخدمة في الطباعة وهذه هي التي تحدد نوعية المواد التي يمكن طباعتها.
كل تكنولوجيا لها خصائصها التقنية المتمثلة في :
مصدر الطاقة المستخدمة في تشكيل المادة.
درجة الحرارة.
حالة المادة المراد طباعتها.
سرعة الطباعة.
الدقة.
لذا فهي تختلف عن بعض في مبدأ التشكيل للمواد وكذالك في سرعة ودقة الطباعة.
1. بثق المادة Material extrusion
هذه التقنية معروفة باسم النمذجة بالترسيب المنصهر FDM أو التصنيع بصهر الخيط fused filament fabrication (FFF).
التشكيل بالترسيب المُنصهر Fused deposition modeling، تتم الطابعة بهذه التقنية من خلال سحب خيط Filament ودفعه داخل الفوهة أو النوزل الساخنة لتذويبه.
ومن ثم وضع المادة المنصهرة على صفيحة الطباعة التي تكون ساخنة بدرجة اقل من درجة حرارة المنصهر.
النوزل تسيل المنصهر وتتحرك وفقاً للإحداثيات المدرجة في G-code.
درجة حرارة الصفيحة تكون أقل لكي يستنى تبريد وتصليب المادة المنصهرة ببطئ وذالك لأجل تصليب المادة وترك الطبقة ساخنة لكي تلتصق بالمنصهر الذي يشكل طبقة اخرى فوقها.
وهكذا دواليك يتم صب طبقة فوق طبقة حتى يتم الانتهاء.
المواد التي يمكن طباعتها بـ FDM
المواد البلاستيكية
PLA ،ABS،PET،PETG،Nylon،TPU، ASA، PC
كم يمكنها طباعة المواد البلاستيكية المركبة التي تحتوي على الياف الكربون والياف الزجاج.
المواد المعدنية
الذهب، الفضة، النحاس، الألمنيوم والفولاذ الغير قابل للصدأ stainless steel (316L, 17-4 PH).
مواد البناء
الاسمنت، الجبس و الطين و الخزف.
المواد الغذائية
الشيكولاطة، الأجبان ومختلف العجائن.
قوة هذه التقنية ان بإمكانها طباعة عدد كبير من المواد وكذالك انخفاض تكلفة الطباعة.
مجال استخدام FDM
انتاج نماذج
مجال البناء
انتاج قطع الغيار
صناعة القوالب
صناعة نماذج العمرانية
ملاحظة
الطابعات التي تعمل بهذه التقنية مخصصة لنوع معين من المواد مثل التي تطبع المواد البلاستيكية لا يمكنها طباعة المواد المعدنية.
مميزات هذه التقنية
تتميز هذه التقنية بكثرة وتنوع المواد التي يمكن تشكيلها، يمكنها طباعة الاسمنت والجبس في مجال البناء.
أو طباعة المواد البلاستيكية، المواد الحيوية وكذالك تستخدم في طباعة المواد الغذائية مثل الشيكولاطة والأجبان الخ.
علاوة على ذالك تعتبر طابعاتها الأرخس وتكلفة طباعة القطع غير مكلفة مقارنة بالتقنيات الأخرى.
غير أن القطع التي يتم تصنيعها بهذه التقنية تكون ذات طبقات غير متماسكة و بالتالي ضعيفة خاصة من ناحية الخصائص الميكانيكية تكون متدنية.
كذالك سطح القطعة المنتجة يحتوي على خيوط طبقات باززة و سطح غير مستوي، لهذا السبب فهي تحتاج للمعالجة والتحسينات لتصبح جاهزة للإستعمال.
2. البلمرة الضوئية في الحوض VAT POLYMERIZATION ـ SLA ، DLP و MSLA
البلمرة هي تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد حيث يتم تصليب مادة سائلة حساسة للضوء تسمى فوتو بوليمار photopolymere، من خلال تعرضيها لضوء.
وبشكل مبسط يتم تعريض ضوء بدقة لنقط معينة داخل الوعاء الذي يحتوي على طبقة ثخينة من سائل الريزين (المادة التي تتصلب عندها تعريضا للضوء).
يتم تكرار هذه العملية مرة تِلو الأُخرة لعمل طبقة فوق طبقة حتى يكتمل طباعة القطعة كلياً.
هنالك ثلاث أصناف شائعة لهذه التقنية وهم كالتالي:
- ستيريو ليثوغرافي Stereolithography SLA
- معالجة الضوء الرقمي digital light processing DLP
- ستيريو ليثو غرافي المخفية masked stereolithography (MSLA)
الفرق الأساسي بين هذه الأصناف يكمن في مصدر الضوء المستخدم في تصليب مادة الريزين السائل.
على سبيل المثال تجد SLA تستخدم ضوء الليزر، بينما DLP تستخدم الضوء الفوق بنفسجي لتصليب الرزين.
العديد من الشركات المصنعة للطابعات الثلاثية الأبعاد التي تستخدم تكنولوجيا البلمرة الضوئية، تستخدم تقنيات فرعية تختلف عن الطرق الأساسية.
عل سبيل المثال قد تجد تقنيات فرعية من تقنية SLA ونظيرتها، هذه التقنيات الفرعية تختلف عن التقنية الرئيسية في نوع الضوء أو كيفية انعكاسه على المادة السائلة.
واحيانا تختلف في نوع سائل الريزن الذي يكون مادة مركبة من خلائط أو قد يكون سائل معدني.
لهذا قد نجد العديد من التسميات الفرعية لهذه التكنولوجيا، لكن كلها تتشابه في مبدأ عملها.
بصفة عامة تعتبر SLA الأكثر انتشارا بين نظيرتها، علاوة على ذالك فهي تعتبر أول تقنية طباعة ثلاثية تم اكتشافها سنة 1986، منذ ذلك الحين يتم تطويرها بإستمرار .
المواد التي يمكن طباعتها بـ VAT POLYMERIZATION
ريزين الفوتو بوليمار photopolymere Resin بكل أنواعه:
- القابل للصب castable
- الشفاف
- الصناعي
- المتوافق حيوياً biocompatable
يعني لن تحتاج القطعة المُنتجة الى مراحل تحسين ومعالجة.
مجالات استخدامها:
- صناعة النماذج.
- طب الأسنان.
- صناعة المجوهرات.
- صناعة القوالب.
- الفن الثلاثي الأبعاد.
مميزات هذه التقنية
كما تتميز هذه التقنية عن غيرها بكونه تنتج قطع ذات سطح املس وتبزر التفاصيل بدقة عالية ستجد القطعة مطابقة للتصميم.
يعني لن تحتاج القطعة المُنتجة الى مراحل تحسين ومعالجة.
3. إلحام حبيبات المسحوق Powder bed fusion
هي تكنولوجيا طباعة ثلاثية الأبعاد حيث تستخدم مصدر حراري انتقائي لإحداث انصهار بين حبيبات البودرة(بلاستيك، معدن أو سيراميك) ويتم ذالك بشكل متكرر طبقة فوق طبقة لحصول على جسم صلب.
اولا يتم تسخين البودرة في الوعاء الى درجة حرارة أقل من درجة الانصهار.
بعد ذلك الطابعة تقوم بوضع طبقة من البودرة على سرير العمل وتعريضه للمصدر الحراري غالباً ما يكون الليزر أو Co2 للتذويب.
عندما يتم تسليط الليزر على منطقة معينة ويتم التذويب واحداث تلاصق بين الحبيبات.
بعد ذالك يتم وضع طبقة من البودرة فوق الطبقة المنصهرة وتتكرر العملية حتى يكتمل انتاج القطعة.
أم بالنسبة لحبيبات البودرة التي لم يتم صهرها تبقى في مكانها و تساعد في اسناد المجسم، ممّا يؤدي لعدم الحاجة الى الاسناد اثناء بناء الطبقات فوق بعض.
أصناف هذه التقنية Powder bed fusion:
- التصليد الانتقائي بالليزر Selective laser sintering (SLS)
- التذويب الانتقائي بالليزر Selective laser melting (SLM)
- التذويب بالشعاع الالكتروني Electron beam melting (EBM)
- التصليد الانتقائي بالليزر المباشر على المعدن Direct metal laser sintering (DMLS)
- التذويب بالنفث المتعدد Multi Jet Fusion (MJF)
المواد التي يمكن طباعتها بـ Powder bed fusion :
- البودرة الثارمو بلاستيكية مثل (Thermoplastic powders (Nylon 6, Nylon 11, Nylon 12
- جميع أنواع بودرة المعادن الفولاذ، الألمنيوم، الذهب، النحاس، الكوبالت، التيتانيوم.. الخ
- جميع أنواع بودرة السراميك
مجالات استخدامها :
انتاج قطع عملية يمكن استخدامه مباشرة.
صناعة قطع الغيار.
انتاج قطع معقدة التصميم ويستحيل انتاجها بطرق التصنيعة التقليدية.
الانتاج المنخفض الكمية.
مميزات هذه التقنية :
من أسرع طرق الطباعة الثلاثية الأبعاد خصوصا عند طباعة البوردة البلاستيكية، بالإضافة إلى ذلك فهي تنتج قطع قوية ذات خصائص ميكانيكة عالية.
من ناحية أخرى فهي تنتج قطعا بأقل استهلاك للمواد، مما يجعلها اقتصادية مقارنة مع طرق التصنيع التقليدية.
كما تعتبر أنها التقنية الأبرز كونها طريقة تصنيع تنتج قطع جاهزة للإستخدام مباشرة.
غير أنه يجب التنويه أن الطابعات الثلاثية الأبعاد التي تعمل بهذه التكنولوجيا هي الأغلى وتكلفة انتاجها للقطع مرتفعة مقارنة بالطرق الأخرى.
لاسيما القطع المعدنية، لكن تبقى طريقة تصنيع أقل تكلفة من طرق التصنيع التقليدية. على الرغم من أنه يجب أن تخضع القطعة المنتجة بهذه التقنية الى معالجة وتحسينات تسمى بالـ post processing.
الفرق بين SLS و SLM يكون في انصهار جزئي للحبيبات البودرة في تقنية SLS بينما تنصهر الحبيبات كليا في تقنية SLM.
4. نفث المواد Material Jetting
هي تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد حيث تتدفق قطرات من المادة على صفيحة العمل ومن ثم تصليبها من خلال تعريضه للضوء الفوق بنفسجي UV.
هذه المادة من رزين الفوتو بوليمارphotopolymer الذي يتصلب عندما يتعرض للضوء.
يمكن لهذه التقنية طباعة طبقة كاملة مرة واحدة و ذالك يرجع لمبدأ عملها المتمثل في صب طبقة ثخينة من المادة على شكل قطرات في عدة مواضع ومن ثمة يمر عليهم الضوء و يصلب الطبقة كاملة في آن واحد.
طبيعة هذه التقنية تتيح طباعة أنواع مختلفة من المواد في مجسم واحد, ولهذا تستخدم في انتاج قطع متعددة الألوان والتركيبة.
مشابهة تماما لطابعة الحبر فقط هي تقوم بتكرار عملية الطباعة (صب قطرات+ تصليب بالضوء البنفسجي) مضيفة بذالك طبقات فوق بعضها البعض حتى يكتمل انتاج القطعة.
تمكننا هذه التقنية من طباعة العديد من القطع في آن واحد، وذلك من خلال وضع القطع على مسار واحد وفقا لصفيحة العمل، ومن ثمة تنزل رؤوس الحقن تسيل القطرات حسب الحاجة و الضوء البنفسجي يصلب الطبقات لكل القطع الموضوعة على صفيحة العمل.
نتيجة لذالك هي من أسرع تقنيات الطباعة الثلاثية الأبعاد كونها تنتج العديد من القطع في آن واحد.
إذا هي تختلف عن نظيرتها، حيث تتيح لنا إنتاج قطع ذات ألوان متعددة ومركبة من مواد مختلفة وهذا غير ممكن في جميع التقنيات الأخرى.
أصناف هذه التقنية :
- تدفق المادة Material Jetting (MJ)
- تقطير حسب الحاجة Drop on Demand (DOD)
المواد التي يمكن طباعتها بـتقنية تدفق المادة
ريزين الفوتو بوليمار photopolymere Resin بكل أنواعه:
- القابل للصب castable
- الشفاف
- الصناعي
- المتوافق حيوياً biocompatable
مجالات استخدامها:
نماذج ذات ألون متعددة.
قوالب الحقن البلاستيكي.
نماذج طبية.
سلسة انتاج منخفض الكمية.
كما ذكرنا أنفاً أن مميزاتها تكمن في انتاج قطع ملونة وذات تركيبة مختلفة بالإضافة إلى ذلك هي تعطي سطح مستوي أملس لا يتخلله شوائب أو عيوب تصنيع.
لكن هذه القطعة تكون ذات خصائص ميكانكية ضعيفة جداً، أم بالنسبة لتكلفة الانتاج فهي مرتفعة جداً مقارنة مع التقنيات المشابهة لها مثل SLA و DLP.
5. نفث الرابط السائل BINDER JETTING
هي تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد يجري بموجبها اسالة بشكل انتقائي لسائل يربط بين جزئيات المسحوق.
تتشابه مع تقنية SLS ، غير أن BINDER JETTING لا تستخدم الليزر أو الحرارة لتصهر الحبيبات، بل يتحرك رأس الطابعة فوق طبقة ثخينة من المسحوق ويقوم بصب قطرات من الرابط السائل التي عادة ما يكون قطرها حوالي 80 ميكرون.
قطرات السائل الربط تجمع بين حبيبات المسحوق لتُشكل طبقة متماسكة، عند الانتهاء من تلحيم الطبقة تقوم الطابعة بوضع البودرة من جديد فوق الطبقة المطبوعة وربط الحبيبات من جديد و هكذا دواليك يتم تكرار العملية طبقة فوق طبقة حتى يكتمل انشاء القطعة.
عند الانتهاء تترك القطعة في المسحوق لتكتمل صلابتها وتكون متماسكة، بعدها يتم اخراجها من المسحوق وتنظيفها من أية حبيبات عالقة بإستخدام الضاغط الهوائي.
المواد التي يمكن طباعتها بـتقنية BINDER JETTING
- الرمل
- البوليمر polymere
- بودرة المعادن الفولاذ و البرونز
- رمل السيليكا لعمل
- المواد المركبة من سيراميك+معدن
مجالات استخدامها:
صناعة قطعة نهائية موجهة لاستخدام مباشرة
صناعة قطع الغيار بجميع أنواعها
نماذج بعدة ألوان
عمل نماذج لعمل نماذج تستخدم في صناعة القوالب
مميزاتها
- سريعة وغير مكلفة
- بإمكانه انتاج قطع كبيرة الحجم
- انتاج قطع معدنية قوية موجهة لإستخدام
- تعطي مرونة في التصميم ولا تحتاج لدعامة للقطع اثناء طباعتها.
بالإضافة إلى ذلك هي تمكننا من انتاج أية قطع معقدة التصميم كما يمكن دمجها مع طرق التصنيع التقليدية.
عيوبها ان القطع المنتجة بهذه التقنية خصائصها الميكانكية تكون ضعيفة جدا مقارنة مع خصائص القطع المنتجة بتقنية إلحام حبيبات المسحوق Powder bed fusion.
6. الترسيب بالطاقة الموجهة DIRECT ENERGY DEPOSITION
اختصارها DED و هي أحد تقنيات الطباعة الثلاثية الأبعاد لكن مبدأ عملها يختلف عن نظيرتها، في هذه التقنية يتم تغذية المادة و صهرها في آن واحد، أي ما يحقنه راس الطابعة يتم صهرها مباشرة بطاقة حرارية عالية عادة ما تكون من الليزر، أو البلازما أو الشعاع الإلكتروني.
يتم حقن المادة على شكل بودرة أو سلك، كما يمكن لهذه التقنية الطباعة طبقة فوق طبقة أو تصليح قطع بها خدوش او كسور.
لهذا السبب غالباً ما يتم استخدم تقنية DED في التصليح أكثر من استخدامها في طباعة القطعة كُلياً.
في حال استخدام البودرة دائما ما يتم ضخها مع غاز خامد لمنع أو تقليل الأكسدة، كما يمكن تغذية أنواع مختلفة من بودرة المواد ومزجها للحصول على خصائص جيدة.
عادة ما ينظر لإستخدام الغاز الخامد في هذه التقنية على أنها من سلبياتها، و من جهة أخرى لا يمكن طباعة جميع المواد بهذه التقنية. بالإضافة إلى ذلك عند ضخ البودرة دائما ما تضيع كمية منها لعدم وصولها للمسار المحدد له وبهذا فهي لن تُصهر.
ومن أكبر عيوبها أن القطعة المنتجة بـ DED تتطلب العديد من مراحل التحسين والتعديل.
أصناف هذه التقنية :
- التشكيل الصافي بالليزر الهندسي Laser Engineered Net Shaping (LENS).
- التصنيع بالإضافة بإستخدام الشعاع الإلكتروني Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM).
- الرذاذ البارد Cold Spray.
المواد التي يمكن طباعتها بـتقنية DED
المعادن كلها سوء كانت على شكل بودرة أو سلك.
مجالات استخدامها:
قطع غيار السيارات.
قطع غير أو مكونات صناعة الطائرات.
صناعة قطع المُعدة للإستخدام المباشر.
المجال الطبي.
7. تصفيحة الرقائق Sheet lamination
هي أحد أشكال الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تتم بتكديس تصفيح الصفائح فوق بعضها وصهرها احيانا للحصول على شكل ثلاثي الأبعاد، تتم هذه العملية بإستخدام عدة طرق لكن غالبا ما يتم استخدام الحرارة والصوت معا.
الطريقة المستخدم تتوقف على نوعية المادة المراد تشكيلها سواء كانت معدن، ورق، أو مواد بلاستيكية.
تعتبر هذه التقنية الأقل دقة بين باقي تكنولوجيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الأخرى نظراً لكونها تحتاج لعمليات التحسين والتعديلpost-processing، كما تحتاج الى القطع بالليزر أو روتر CNC أثناء الطابعة للحصول على الشكل المراد، وهذا مما يؤدي الى ضياع كبير في المادة الأولية ويجعلها مكلفة مقارنة بباقي التقنيات.
الصانعين يستخدمون هذه التقنية لإنتاج قطع بسيطة الشكل أو الكبيرة الحجم الغير مكلفة والغير موجهة للإستخدام المباشر، كما يتم استخدامها لتشكيل المواد المركبة انطلاقاً من الصفائح المختلفة.
لكن يجدر بنا الإشارة أن ما يمكن انتجه بهذه التقنية لن يكون قوياً وذو خصائص ميكانكية منخفضة جداً، لذا فهي غالباً ما تُنتج قطع جمالية فقط أو قطع ذات شكل غير معقد.
أصناف هذه التقنية:
- التصنيع بالشكل المصفح Laminated Object Manufacturing (LOM)
- الدمج بالموجات الصوتية Ultrasonic Consolidation (UC)
المواد المستخدمة:
- الورق
- البوليمرات polymere
- المعادن على شكل صفائح.
مجالات استخدامها:
صناعة القوالب.
صناعة النماذج الغير موجهة للإستخدام المباشر prototype.
انتاج القطع بعدة ألوان.
الطباعة الثلاثية الأبعاد الدقيقة MICRO 3D PRINTING
التصنيع بالإضافة الدقيقة على سلم الميكرو عادة ما تشير إلى انتاج قطع ذات ثخانة لا تتعدى 5 ميكرونات و دقة لا تتعدى 2 ميكرون، و لك أن تتخيل أن بعض تكنولوجيات الطباعة ثلاثية الأبعاد بإمكانها إنتاج قطع ذات حجم يقاس بالنانو متر Nanometer.
للعلم أن 1 نانو متر أصغر بـ 1000 مرة من 1 ميكرون، ومتوسط عرض شعرة الانسان هو 75 ميكرون وسلسلة DNA للانسان قطرها 2.5 نانو متر.
هذه الأرقام تبين لك حجم التطور الذي وصل اليه التصنيع بالإضافة أو بالأحرى الطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث صارت تستخدم في انتاج أجهزة، أعضاء، ومكونات فائفة الدقة يمكن استخدامها داخل جسم الانسان لتعمل بكفاءة عالية.
تطور هذه التقنية ساهم في حل الكثير من المشاكل الصحية المستعصية و اتاح لنا صناعة اعضاء واجهزة جد دقيقة تدخل في جسم الانسان حتى داخل القلب والاوعية الدموية والمخ… إلخ.
على سبيل المثال أصبح من السهل انتاج رقائق الكترونية chips، حواسيب و دارة كهربائية circuits ذات سلم لا يتعدى بضعة نانو مترات، وهذا مما أحدث ثورة تكنولوجية هائلة ساهمت في تطوير العديد من الإختراعات والأجهزة ورفعت من قدراته العملية.
كل هذه الأجهزة الدقيقة رفعت من كفاءة الهواتف، الطائرات، السيارات، الحواسيب، الأجهزة الطبية… إلخ .
أصناف هذه التقنية:
- الميكرو ستيريو ليثو غرافي Microstereolithography (µSLA)
- الميكرو ستيريو ليثو غرافي الانعكاسي Projection Microstereolithography (PµSL)
- البلمرة الضوئية ثنائية الفوتون Two-Photon Polymerization (2PP or TPP)
- التصنيع الليثوغرافي المتركزة على المعادن Lithography-based Metal Manufacturing (LMM)
المواد المستخدمة:
- المعادن
- السراميك
- البوليمرات
مجالات استخدامها:
المجال الطبي و صناعة الأعضاء.
التكنولوجيات العالية الدقة.
صناعة الرقاقات الإلكترونية.
صناعة السيارات والطائرات والمركبات الفضائية.
أنواع الطابعات الثلاثية الأبعاد و أسعارها
كما تطرقنا أنفاً لمختلف التقنيات التكنولوجية المستخدمة في الطابعات هنالك موصفات أخرى تمييز فيما بينها على غرار الحجم الذي يمكن طباعته، الفئة الموجهة اليها، سرعتها وكذا سعرها.
يوجد عدد هائل من هذه الطابعات وكل واحدة منها مخصص لغرض معين وموجه لفئة معينة، على سبيل المثال قد تجد طابعة ثلاثية بنفس الموصفات من نفس الشركة المصنعة لكن متوفرة بحجمين حجم لصناعة القطعة الصغيرة و الاكبر حجما لصناعة القطع الكبيرة.
كذالك سرعة الطابعة، الدقة والكفاءة في العمل تختلف كثيراً بين الطابعات، لهذا تصنيف الطابعات يجب أن يتم بناءٍ على عدة عوامل من بينها السعر، الفئة الموجهة اليها وحجمها وهذا ما سنوضح الآن.
الطابعات الموجهة للهواة :
عموما هذه الصنف من الطابعات موجهة لكل الهواة والحرفين الذي يحبون صناعة قطع مختلفة سواء لغرض المتعة والتعلم او لغرض تجاري، اغلب الطابعات في هذه الفئة تعمل بتقنية FDM و SLA.
يتم استخدامها من طرف المدارس والجامعات في التعليم، كم يستخدمها الحرفيون بجميع تخصصاتهم، لكن القطع المنتجة بهذه الماكينة عادة ما تكون ضعيفة و غير مخصصة للإستخدام المباشر.
فقط تستخدم كـ تحف أو نماذج للعرض و احيانا تستخدم لعمل أشكال مطابقة لها.
أسعارها تكون ما بين 100$ إلى 300 $ دولار امريكي.
أمثلة عن هذا الصنف من الطابعات:
-
Ender 3 (Pro/V2)
-
Anycubic Mega S
-
Biqu B1
-
Elegoo Mars 2
-
Voxelab Aquila
-
Nova3D Bene4 Mono
-
Voxelab Proxima 6
طابعات موجهة للهواة المتقدمين :
الهواة والحرفين المُتقدمين بما في ذالك أصحاب المشاريع الصغيرة كلهم يحتجون لطابعات ذات مستوى عالي من الدقة وسريعة كما تحتوي على حيز بناء يكون أكبر، مما يتيح لهم صناعة قطع كبيرة الحجم ذات جودة في فترة زمنية قصيرة.
كل هذه المتطلبات متوفرة في طابعات هذه الفئة، لأنها معدة خصيصاً للإستخدام المكثف وتحتوي على مزايا وخصائص غير متوفرة في طابعات فئة الهواة.
من أهم مزايا في هذه الطابعات أنه يمكنها العمل المتوصل لفترات زمنية طويلة وهي قليلة الأعطاب، و كل هذا وذاك راجع لجودة قطع غيارها المصنوع من مواد أولية عالية الجودة.
بالطبع في هذه الفئة قد تجد طابعات تعمل بتقنية FDM وكذالك تقنية SLA لكنها تعمل بكفائة عالية جدا تمكن حتى اصحاب المشاريع الصغيرة من انتاج قطع يمكن بيعها وتحقيق عوائد مالية من خلال بيعها.
طابعات FDM في هذه الفئة يمكنها العمل مع أي نوع خيط filament بلاستيكي، لكونها قادرة للوصل الى درجة حرارة عالية تمكنها من صهر أي نوع خيط filament بما في ذالك فيلمنت الذي يحتوي على الياف الكربون او الياف الزجاج.
كذالك الامر بالنسبة لطابعات تقنية SLA فهي قادرة على العمل مع أي نوع من الريزين الفوتو بوليمر photopolymer مادام هذا الريزين متوافق مع نوع الطابعة و قابلة للتصلب عند تعرضها للضوء.
أسعار هذه الفئة تتراوح ما بين 300$ إلى 1000 $ دولار امريكي.
أمثلة عن هذا الصنف من الطابعات:
- + Original Prusa Mini
- Anycubic Photon Mono X
- + Original Prusa MK3S
- Creality CR-6 SE
- Creality CR-10 V3
- Anycubic Mega X
- Phrozen Sonic Mighty 4K
الكثير من اصحاب المشاريع الصغيرة على غرار مخابر صناعة الأسنان و الصائغين وورشات صناعة المجوهرات كلهم يستخدمون طابعات SLA من هذه الفئة.
بما في ذالك مكاتب التصميم العمراني و التصميم الداخلي الكثير منهم يعمل بهذه الفئة من الطابعات.
الطابعات المهنية ذات الأداء العالي
هذه الفئة مخصصة تحديداً للخبراء و المشاريع المتوسطة الحجم، كما يمكن للمعامل والمصانع استخدامها.
تتميز هذه الطابعة بالسرعة في إلإنجازا وكبر حجم البناء فيها بالإضافة إلى ذالك فيها مزايا أخرى مثل اتصالها بـ Wifi الميزة التي تتيح التحكم فيها عن بعد من خلال تطبيق هاتفي أو شبكة تقوم ببنائها بنفسك.
هذه الميزة تُمكننا ايضا من ربط عدة طابعات مع بعض وتشكيل خط انتاج متكامل ينظم ويسرع عملية الانتاج، كما تحتوي هذه الطابعات على واجهة رقمية احترافية تسهل التحكم فيها.
القطع المنتجة بطابعات هذه الفئة تكون ذات جودة عالية وخالية من العيوب ولن تحتاج الى تحسينات وتعديلات كبيرة المعروفة بـ post processing.
أغلب الطابعات في هذه الفئة تعمل بتقنية FDM و SLA لكنها أكثر احترافية، بعض طابعات FDM تستطيع طباعة المعادن، كما توجد طابعة وحيدة تعمل بتقنية SLS تندرج ضمن هذه الفئة و هي sintratec kit التي تعد ارخس طابعة SLS.
لكن حجم البناء في هذه الطابعة صغير نوعا ما وهو 11cm*11cm*11cm و لكن للحصول على نتائج أفضل من الأحسن العمل على حجم قطعة يكون أقل من 9cm*9cm*9cm، لكنها تظل جيدة وتعمل بكفاءة عالية جدا.
يمكن للمصانع ، الورشات، المشاريع الصغيرة والمتوسطة بما فيهم الخبراء الإستفادة من طابعات هذه الفئة كونها تعمل بكفاءة الطابعات الصناعية لكنها غير مكلفة.
تتراوح أسعار هذه الفئة ما بين 1000$ الى 7000$ دولار امريكي
أمثلة عن هذا الصنف من الطابعات:
- Sintratec Kit
- Formlabs Form 1
- Formlabs Form 2
- Formlabs Form 3
- Ultimaker 3
- MakerBot Method X
- Markforged Onyx One
- Delta WASP 2040 Industrial X
الطابعات الصناعية:
مخصصة للشركات الكبيرة والمصانع في مختلف المجالات بما في ذلك صناعة الطائرات، السيارات، السفن والصناعة الفضائية.
يمكنك ايجاد طابعات في هذه الفئة تعمل بجميع تقنيات الطباعة الثلاثية الأبعاد كم تتماز بالإحترافية والدقة العالية وذلك لكونها تستطيع العمل على اصغر سلم مثل النانو متر لتصل الى الأحجام الكبيرة.
قائمة المواد التي يمكن طباعتها بماكينات هذه الفئة تضم جميع المواد الممكن طباعتها التي وصلت اليها التكنولوجيا، بدءٍ بالمواد البلاستيكية وصولاً الى اقوى المعادن والمواد المركبة.
حجم البناء في هذه الفئة مكن مختلف الصناعات من انتاج قطع ذات احجام كبيرة وتصاميم معقدة، لك أن تتخيل أنه يمكن طباعة مكونات كبيرة في محركات الطائرات والسفن أو قطع غيار قوية للسيارات الفاخرة.
يوجد العديد من التجهيزات و العتاد الجد متطور يحتوي على مكونات تم انتاجها بالطابعات الثلاثية الأبعاد، على سبيل المثال مراوح التوربينات المخصصة لتوليد الكهرباء.
أما بالنسبة لمجال البناء والعمران فنجد طابعات كبيرة تندرج ضمن هذه الفئة بإمكانها بناء فيلات، جسور وعمارات ضخمة، لهذا صارت شركات البناء والتعمير في الدولة المتطورة تعتمد على هذه التكنولجيا المذهلة لتشيد مختلف المنشآت العمرانية.
هذه الفئة تمتاز كذالك بواجهة تحكم متطورة جدا تتيح تسيير عملية الانتاج بكل سلاسة، كم انها تحتوي على حساسات ومستشعرات تمكنها من اكتشاف أي مشاكل وحلها وتعطي معلومات دقيقة عن سيرورة الانتاج وتكلفة انتاج القطع والمدة اللازمة لإنجاز القطع.
لكن تكلفة صيانتها و استبدال قطع الغيار مرتفعة جدا.
الأسعار في هذه الفئة تتراوح من 7000$ الى 3 مليون دولار أمريكي فما فوق.
أمثلة عن هذا الصنف من الطابعات:
- Peopoly Phenom XXL
- Formlabs Fuse 1
- Sintratec S2
- Ultimaker S5
- BCN3D Epsilon W50
- 3D Systems ProX SLS 6100
- XYZprinting MfgPro230 xS
- Stratasys F900
- 3D Platform Excel
- Trumpf Truprint 1000
- EOS FORMIGA P 110 Velocis
- HP Jet Fusion 5200 Series
- HP Jet Fusion 4200 Industrial
اهم الشركات المصنعة للطابعات الثلاثية الأبعاد
- Creality
- Elegoo
- Anycubic
- Prusa
- Ultimaker
- Form lab
- SHINING
- Stratasys
- Desktop Metal Inc
- EOS
- HP
- General Electric
برامج التصميم المستخدمة في التصنيع بالإضافة
يوجد العديد من برامج التصميم الثلاثي الأبعاد التي تستخدم في هذا المجال ومن أبرزها البرامج التالية:
- Fusion 360
- Solidworks
- Autocade
- Onshape
- Onshape
- Solid Edge
- Siemens NX
- Blender
- Ultimaker Cura
من يمكنه الإستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد
قد تطرقنا الى العديد من المزايا والخدمات التي توفرها هذه المكينات وقد يتبادر إلى ذهنك في ماذا يمكنك استغلالها.
طبعاً موقعنا تيسير متخصص في مجال أفكار المشاريع لذا سنشاراك معكم عدة أفكار تمكنكم من استغلال الطابعات الثلاثية الأبعاد في مشاريعكم.
هذه التكنولوجيا غيرت مجال التصنيع كلياً وتعد كثورة رابعة في مجال التصنيع والإنتاج بصفة عامة، نظراً لتسهيلها انتاج قطع ذات تصاميم معقدة كم يسرت للمصانع والمؤسسات المصغرة انتاج قطع الغيار بأنفسهم.
في السابق في عصر الصناعة التقليدية كان من غير الممكن أن تطلب من المصانع والمنتجين كمية صغيرة من منتج معين، لكن الأمر الآن بات ممكناً، والفضل كلها يرجع للتصنيع بالإضافة التي اتاحت لنا تصنيع كميات صغيرة في مدة قصيرة وبأقل تكلفة وأقل تضييعاً للمواد.
التطور التكنولوجي في هذا المجال حقق أشواطاً كبيرة، وكل ما كان تصنيعه مستحيلاً اضحى أمر بسيطاً، بدءٍ من أعضاء جسم الانسان الدقيقة الى اكثر المنتجات تعقيداً من حيث الشكل.
اليكم العديد من المجالات التي يمكنها الاستفادة من الطباعة الثلاثية الأبعاد لإنتاج أو تطوير منتجاتها:
الصائغين وورشات صناعة المجوهرات:
يستطيع الناشطون في هذا المجال استخدم طابعات الريزين لطباعة اشكال وتصاميم جميلة ومن ثمة استغلالها في صناعة قوالب لصب الذهب والمعادن النفيسة.
كما توجد طابعات مخصصة لهذا التخصص بالذات ، يمكنه طباعة الأشكال من المعادن النفيسة.
مكاتب العمران والتصميم الداخلي:
يجدا العديد من الناشطون في هذا المجال صعوبة في عمل نماذج عمرانية للتصاميم التي يقدمونها لزبائنهم، هنا يأتي دور الطباعة الثلاثية التي تمكنهم من طباعة اي مجسمات أو أشكال هندسية ليستخداموها في عمل نماذج لي تصاميمهم المعمارية الثلاثية الأبعاد.
الحرفيون والفنون:
دائما ما يقوم الحرفيون والفنانون بتطوير منتجاتهم و انتاج تصاميم عصرية ومبتكرة، لكنهم يجدون صعوبة في انجاز هذه التصاميم على ارض الواقع.
لكن التصنيع بالإضافة حل هذه المشكل حيث مكنهم من تصنيع أي شكل يريدون ومن ثمة عمل اضافات عليه أو عمل قوالب غير متاحة في السوق، وبهذا يكونون قد وجدو حلاً لتجسيد اي قطعة أو تصميم يخطر ببالهم.
صناعة القوالب:
كما شرحنا من قبل اي شكل أصبح من الممكن صناعته بغض النظر عن صلابته أو خصائصه الميكانيكة، وهذا الأمر يسهل على صناع القوالب الحصول على اشكال هندسية مختلفة يستخدمونها في انشاء اي نوع من القوالب.
شركات الدعاية والتسويق:
هذا النوع من الشركات دائما ما تنتج لافتات اشهارية ولوحات اعلانية بتصاميم مبتكرة عليها شعار أو كلمات، كل هذا وذاك بمكن إنجازه بالطباعات الثلاثية الأبعاد.
صناعة العبوات والتغليف:
هذه النوع من المصانع دائما ما يطلب منهم زبائنهم عمل عبوات او صندوق تغليف بشكل معين، لكن للبدء في العمل على هذا التصميم يشتطرون على الزبون دفع تكاليف أقل كمية من هذا المنتج لكي يشرعون في تنفيذ طلبيتهم.
وهذا مما يرفضه الكثير من الزبائن، لانهم لم يرو حتى نموذج عن المنتج الذي سيحصلون عليه، فقط يرونه في التصميم.
لكن الحل أتى مع التصنيع بالإضافة حيث أتاح للمصانع انتاج نماذج أولية قبل البدء في انتاج كميات كبيرة بطرق التصنيع التقليدية.
وهذا ما يرحب به الزبائن حيث يتسنى لهم رأيت منتجهم النهائي و من ثمة الدفع مقابل الطلبية الكبيرة.
شركات البناء و التعمير:
هذا المجال في تطور مستمر ودائما ما يكون هناك تحديات كبيرة في تجسيد تصاميم عمرانية مبتكرة وبمواد متنوعة، لذا لجئت العديد من شركات البناء في استخدام هذه التكنولوجيا المذهلة.
الفديو التالي يوضح كيف يتم تشيد البنايات بإستخدام الطباعة الثلاثية الأبعاد:
صناعة الملابس و الأحذية:
لك أن تتخيل يا عزيزي القارئ أن شركة اديداس تستخدم التصنيع بالإضافة في انتاج قاعدة الأحذية الرياضية، هذه الشركة لطالما حاولت تطوير منتجاته من احذية بإبتكار تصاميم تستطيع امتصاص الصدمات و توفير مرونة للقدمين مع خفة الوزن.
لكن هذا كان من المستحيل تجسيده في طرق التصنيع التقليدية.
صناعة الحلويات و الشيكولاطة:
صناع الحلويات و الشيكولاطة دائما يطورن اشكال منتجاتهم لكنهم لا يجدون قوالب جاهزة لتجسيد تصاميمهم.
لكن باستخدام التصنيع بالإضافة يمكنهم صناعة قوالب لأي شكل يريدون بهذا يستطعون انتاج حلويات او شيكولاطة بأي شكل يريدون.
تصنيع قطع الغيار:
الكل يعاني من عدم توفر قطع الغيار لأي جهاز كان. سواء الأشخاص العاديون، أو الشركات الصغيرة و المتوسطة نفس الشئ بالنسبة لشركات الصناعة الثقيلة.
كلهم اما يدفعون مبالغ ضخمة لاستبدال قطع الغيار أو لايجدون قطع الغيار ابدا خاصة بالنسبة للتجهيزات القديمة.
لكن حل هذا الأمر بات ممكنا مع الطابعات الثلاثية الأبعاد المتنوعة. التي يمكنها انتاج اي قطعة غيار تريدها و بهذا تربح الوقت و تقلل تكاليف الصيانة.
صناعة الأجهزة التعويضية والأطراف الصناعية
سهلت علينا طباعة الأعضاء المصابة وتحويلها لمجسم ملموس نستطيع من خلاله تحديد انتشار المرض وتشخيض الأمرض الأكثر تعقيداً مثل السرطانات، كما سهلت تصنيع الأجهزة التعويضية والأطراف الصناعية، الان بات بإمكان الطب الحديث استبدال أي عضو بشري بما في ذالك الأعضاء الدقيقة.
حيث مكنتنا من استبدال العظام، والمفاصل، كذلك يمكن طباعة شكل الجنين لكي يتسنى الكشف المبكر عن أي تشوهات، والتحقق من حالته الصحية.
مخابر تصنيع اعضاء الإنسان لديهم اشكالية في تصنيع القطع بعدة مقاسات. لذا دائما ما تأتيهم طلبات اعضاء بمقاسات معينة من جراحين و عيادة استبدال الأعضاء.
هذا الأمر يشكل عائق كبير لأن صناعة الأعضاء ليست بالأمر السهل خاصة لكون مقايس الأعضاء تتغير من شخص لأخر.
لكن الطباعة الثلاثية الأبعاد سهلت الأمر عليهم. بات من الممكن الإعتماد كليا على التصنيع بالإضافة لإنتاج أعضاء وفقا لمقاسات دقيقة لكل شخص.
وذالك بفضل أجهزة المسح الضوئي الثلاثي الأبعاد 3D scannar الذي سهل الحصول على مقاييس اي عضو في جسم الانسان ومن ثم تسهيل عمل تصميم ثلاثي الأبعاد وبعدها طباعته في طابعة ثلاثية الأبعاد.
نفس الشئ بالنسبة لصناعة الأسنان ،بات من الممكن الحصول على مقاييس الاسنان انطلاقا من صور ثلاثية الابعاد يقوم بها طبيب الأسنان بواسطة الماسح الضوئي الثلاثي الأبعاد.
بعدها الحصول على ملف، يتم عمل تصميم يحتوي على جميع الاسنان ثم طباعته. بعدها عمل قالب يستخدم في صب المواد المستخدمة في صناعة الأسنان.
توجد العديد الإستخدامات للتصنيع بالإضافة وما قمنا بمشاركته يعد نقطة من بحر فقط، اردنا من خلالها تنوير الجميع في كيفية الاستفادة من هذه التكنولوجيا.
محاسن الطباعة ثلاثية الأبعاد
محاسن ومميزات هذه التكنولوجيا لا تُعد و لا تحصى، ولازالت تتطور بإستمرار وتوفر حلولاً للعديد من المشاكل في جميع المجالات و من أهم هذه المحاسن هي كالتالي:
- ساهمت كثيرا في تطوير المجال الطبي.
- مرونة في تصميم المنتجات حيث أتاحت لنا إنتاج أي تصميم معقد.
- السرعة في الانتاج، خاصة انتاج النماذج الأولية.
- الطباعة والانتاج حسب الطلب مما يوفر الوقت التكلفة.
- انتااج قطع خفيفة و قوية.
- السرعة في التصميم والانتاج.
- قللت استهلاك المواد، تقريبا لا يوجد تضييع للمادة مقارنة بطرق التصنيع التقليدية التي تخلف كمية كبيرة من المادة أثناء القولبة، التشكيل، والقطع.
- تكلفة الانتاج منخفضة جدا بمراحل عن طرق التصنيع التقليدية.
- تكنولوجيا متاحة للجميع.
- صديقة للبيئة كونها لا تستهلك كمية كبيرة من المواد، ويتم الانتاج بها حسب الاحتياج فقط. أي استهلاك أقل للطاقة.
عيوب الطباعة ثلاثية الأبعاد
كما أبرزنا كل ما يخص هذا المجال، و ذكرنا جميع محاسنها وكيف أصبحت نقطة تحول في مجال التصنيع، يتوجب علينا ذكر سلبيات الطباعة ثلاثية الأبعاد وهي كالتالي:
- الطباعات مكلفة نوعا ما خاصة الطابعات الصناعية.
- كذالك المواد وقطع الغيار مكلفة.
- محدودية حجم الانتاج.
- بعض تقنيات الطباعة الثلاثية الأبعاد تتطلب تعديلات وتحسينات على القطع المنتجة.
- انتهاك حقوق الطبع والانتاج، هذه التكنولجيا سهلت تقليد أي منتج.
- الطابعات الثلاثية الأبعاد تصدر اشعاعات روائح عند صهر المواد تكون سامة، كل هذا قد يسبب حدوث أمراض خطيرة.
- تقليل الوظائف في القطاع الصناعي.
سواء كنت صاحب مشروع أو تفكر في بدء البزنس الخاص بك في مجال الانتاج. عليك التفكير في استغلال هذه التكنولوجيا التي قد توفر عنك الكثير من الوقت والتكاليف.
كان هذا كل ما يتعلق ب الطباعة ثلاثية الأبعاد ، لقد شاركنا معكم كل تفاصيل هذا المجال و يسرنا لكم فهم كيف تعمل و كيف يمكن الاستفادة منها.
و في الختام ندعوكم للاطلاع على المزيد من مقالاتنا المفيدة حول افكار المشاريع.
اذا كانت لديكم أية اسئلة يمكنكم التواصل معنا وسنجيبكم في اقرب وقت.
اقرا ايضا أفكار مشاريع جديدة للشباب 2021
إنتاج الغازات الصناعية مجال له مستقبل واعد
اعادة تدوير زيوت الطهي المستعملة
أفكار تجارة الكترونية مربحة وسهلة التنفيذ
استخلاص الزيوت الأساسية الدليل الشامل
