ما هي الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية مختصة لطباعة أجسام صلبة و قطع جاهزة للاستخدام. يعتمد هذا النوع من الطباعة بشكل أساسي على تكديس طبقات من مواد خاصة ودمجها لتشكيل الجسم المطلوب. تعتبر عملية الطباعة سريعة، مع تكاليف ثابتة و منخفضة، كما يمكنك إنشاء أشكال هندسية أكثر تعقيدًا مقارنةً بطرق التصنيع التقليدية، مع قائمة مواد متعددة وواسعة. يتم استخدام الطباعة الثلاثية أبعاد على نطاق واسع في الصناعة الهندسية، وخاصة لانتاج نماذج أولية خفيفة الوزن.
الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع التركيبي (AM)
يرتبط مصطلح "الطباعة ثلاثية الأبعاد" عادةً بالمبتكرين الهواة حيث تقنية الطباعة المستخدمة تعتبر سهلة وفي متناول الجميع، في هذا المقال سوف نتعرف على بعض تقنيات الطباعة الثلاثية أبعاد مثل FDM والمواد منخفضة التكلفة مثل ABS و PLA (سنشرح كل هذه الاختصارات في الاسفل). يعود سبب انتشار الطباعة ثلاثية أبعاد بشكل كبير الى توفر أجهزة طباعة متوافقة مع سطح المكتب بأسعار معقولة. تعتبر شركة RepRap من أوائل المروجية للطباعة ثلاثية أبعاد حيث تم تصنيع أول جهازين في عام 2009: MakerBot وUltimaker.
على النقيض من ذلك، يرتبط التصنيع التركيبي (AM) دائمًا بالتطبيقات التجارية والصناعية.
الطباعة ثلاثية الأبعاد والنماذج الأولية السريعة
"النماذج الأولية السريعة" هو مصطلح آخر يستخدم في بعض الأحيان للإشارة إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد. يعود هذا المصطلح إلى التاريخ المبكر للطباعة ثلاثية الأبعاد عندما ظهرت هذه التكنولوجيا لأول مرة. بالتحديد في الثمانينيات، عندما تم اختراع الطباعة ثلاثية الأبعاد لأول مرة، تمت تسميتها ب "تقنية النماذج الأولية السريعة" لأنه في ذلك الوقت كانت هذه التكنولوجيا تستخدم فقط لتصنيع نماذج أولية، وليس للانتاج الفعلي.
في السنوات الأخيرة، تطورت الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصبح بديلاً مناسباً لانتاج العديد من القطع في جميع المجالات. لذلك، بينما لا يزال البعض باستخدام المصطلح "النماذج الأولية السريعة" للإشارة إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد، فإن هذه التقنية شهدت تطور واسع جداً لتشمل العديد من المجالات والتطبيقات.
متى تم اختراع الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
بدأت الطباعة ثلاثية الأبعاد كفكرة لتسريع عملية تطويرالمنتجات الصناعية من خلال انتاج نماذج أولية بشكل أسرع. يُنسب فضل اختراع أول شكل للطابعالت الثلاثية أبعاد إلى تشاك هال الذي قام بابتكار جهاز الطباعة الحجرية المجسم (SLA)، الحاصل على براءة اختراع في عام 1984.
مرحلة التأسيس
على الرغم من شهرة تشاك، الى أن تطور هذه التقنية لم يقتصر على رجل واحد بل كان يحدث بشكل متزامن في أواخر الثمانينيات، حيث تأسست العديد من الشركات هذه الفترة والتي كانت عازمة على تطوير التكنولوجيا.
- 1981 - تم منح أول براءة اختراع لفكرة جهاز يستخدم الأشعة فوق البنفسجية لمعالجة البوليمرات الضوئية إلى هيديو كوداما في اليابان. لقد تم تصميم الفكرة من أجل صناعة "النماذج الأولية السريعة"، ولكن تم اهمال براءة الاختراع لعدم وجود مطور مهتم.
- 1984 - قام ثلاثة مخترعون فرنسيون بتقديم براءة اختراع لتصميم جهاز يعمل على ضوء الأشعة فوق البنفسجية، مثل براءة هيديو، لمعالجة البوليمرات الضوئية. قامت شركة جنرال إلكتريك برفض تصنيع هذا الجهاز لعدم وجود طلب تجاري لهذه التقنية في ذلك الوقت.
- 1984 - في نفس العام، قدم الأمريكي تشارلز "تشاك" هال براءة اختراع لجهاز طباعة الأجسام ثلاثية الأبعاد بواسطة تقنية الطباعة الحجرية المجسمة والمعروفة بمصطلح (SLA).
- 1987 - اخترع هال صيغة جديدة لملفات الطباعة المعروفة ب STL، وفي نفس العام أسس شركة 3D Systems.
- 1987 - قدم الأمريكي كارل ديكارد براءة اختراع لتقنية الليزر الانتقائي (SLS)، وفي نفس العام ساهم في تأسيس شركة Desktop Manufacturing (DTM) (التي تم الاستحواذ عليها من شركة 3D Systems في عام 2001).
- 1989 - قدم الأمريكي سكوت كرامب براءة اختراع لتقنية تشكيل المواد المائعة (FDM)، وفي نفس العام أسس شركة ستراتاسيس مع زوجته.
مرحلة التسويق
منذ أواخر الثمانينيات وحتى أوائل التسعينيات، شهد هذا النوع من الصناعة طفرة كبيرة في التسويق التجاري. في البداية كانت الآلات المتوفرة في السوق كبيرة ومكلفة، حيث كانت تباع للشركات لمساعدتهم في انتاج نماذج أولية مثل شركات السيارات، الفضاء ومصنعو العلب البلاستيكية وغيرها. سنذكر لكم بعض أوائل الطابعات التي تم اختراعها وتسويقها تجارياً:
- 1987 - قامت شركة 3D Systems باصدار أول طابعة تجارية SLA-1.
- 1992 - تم منح براءة اختراع FDM أخيرًا لشركة Stratasys، مما دفعها إلى صنع أول طابعة ثلاثية أبعاد للشركة المعروفة ب FDM Modeler.
- 1992 - أننتجت شركة DTM أول طابعة SLS تجارية Sinterstation 2000.
- 1994 - كشفت الشركة الألمانية Electro Optical Systems (EOS) عن أول طابعة ثلاثية أبعاد مصنوعة من المعدن "EOSINT M160".
التحوّل الديمقراطي
بعد انقضاء فترة المنافسة بين الشركات على اصدار براءات الاختراعات والتطور في علوم المواد، أدّت هذه الأحداث المتسلسلة إلى خلق بيئة أصبحت فيها الطباعة ثلاثية الأبعاد في متناول الجماهير. في هذه الحقبة في عام 2005 بدأت فكرة الطباعة ثلاثية الأبعاد تصل إلى الناس عن طريق الأحداث التالية:
- 2005 - تم إطلاق أول مشروه بمصادر معلومات مفتوحة RepRap بهدف إنشاء أول طابعات ثلاثية الأبعاد قادرة على استنساخ نفسها عن طريق طباعة أجزائها الخاصة.
- 2009 - أصبحت جميع براءات اختراعات FDM ضمن الملكية العامة وأطلقت شركة MakerBot الطابعة المكتبية ثلاثية الأبعاد الخاصة بها، "Cupcake CNC".
- 2012 - أطلقت شركة Formlabs أول طابعة SLA بأسعار معقولة "Form 1"، من خلال حملة Kickstarter التي جمعت تمويلًا بقيمة 2.95 مليون دولار!
- 2013 - تم إطلاق شركة Protolabs الذي يعتبر أول مشروع لتقديم خدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى جميع الأشخاص الذين يريدون شراء المطبوعات وخدمة الأشخاص الذين لديهم آلات أيضاً، حيث يتم تزويدهم بالمواد الأولية. لاقت هذه الشركة نجاحاً كبيرا ً حيث تم افتتاح أكثر من 50000 مركز طباعة بالعالم للوصول الى أكبر عدد من المستفيدين حول العالم.
- 2014 - تحولت براءات اختراع SLS إلى الملكية العامة، مما أدى إلى قيام الكثير من الشركات باصدار طابعات SLS أصغر حجمًا وبأسعار في متناول الجميع.
كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
التصنيع التركيبي والتصنيع التقليدي
التصنيع التركيبي (احدى تقنيات الطباعة ثلاثية أبعاد) هو مصطلح لم يكن موجوداً إلا منذ الثمانينيات، لذلك يشار إلى طرق تصنيع النماذج ثلاثية أبعاد التي تم تطويرها قبل ذلك بالتصنيع التقليدي. لتوضيح االاختلافات الرئيسية بين التصنيع التركيبي والتصنيع التقليدي، سوف نصنف جميع الطرق إلى ثلاث مجموعات: التصنيع التركيبي والطرحي والتشكيلي.
التصنيع التركيبي
التصنيع التركيبي هي عملية بناء أجسام ثلاثية الأبعاد عن طريق تكديس ودمج طبقات ثنائية الأبعاد من المواد.
هذه الطريقة لاتحتاج الى وقت طويل أو تكاليف عالية لبدء التشغيل الذي يجعلها مثالية للنماذج الأولية. يمكن إنتاج أي جسم بأي شكل هندسي مطلوب، وهذا هو أهم وأفضل خاصية للطباعة ثلاثية الأبعاد.
أحد أكبر عيوب الطباعة ثلاثية الأبعاد باسخدام تقنية التصنيع التركيبي هو أن كثافة وصلابة الأجسام المطبوعة تكون مختلفة بدرجات متفاوتة، مما يضع قيودًا على انتاج أجسام ذات طابع متناسق.
التصنيع الطرحي
طريقة التصنيع الطرحي تعتمد على نحت وازالة المواد من كتلة معينة لتشكيل المجسم الثلاثي أبعاد المطلوب.
هذه التقنية تتميز بالدقة العالية حيث يمكن تشكيل أي مجسم تقريبًا، نظرًا لمقدار التحكم العالي في جميع جوانب العملية. يجب استخدام برنامج (CAM) بالكمبيوترلرسم وتصميم المسار المطلوب لإزالة المواد بكفاءة وانتاج الشكل المطلوب، هذه الخطوة تحتاج بعض الوقت والجهد للإعداد، عدا ذلك فان هذه الطريقة هي الأكثر فعالية من حيث التكلفة.
العيب الوحيد في هذه التقنية يكمن في قدرة أداة القطع للوصول إلى جميع الأسطح لإزالة المواد، مما يجعل هذه التقنية غير مناسبة للتصاميم الأكثر تعقيداً. أيضاً يعد التصنيع الطرحي من العمليات الأكثر اهداراً حيث يجب ازالة الكثير من المواد لإنتاج جسم بسيط.
التصنيع التشكيلي
تعتمد تقنية التصنيع التشكيلي بشكل أساسي على استخدام القوالب، ثم حقن القالب الجاهز بالمواد اللازمة للطباعة الثلاثية أبعاد، وفي النهاية نقوم بختم الجسم بالحرارة أو الضغط لانتاج الشكل المطلوب.
تم ابتكار هذا النوع خصيصاً لانشاء خطوط انتاج لقطع معينة، حيث أن تكاليف إنشاء قوالب عملية الإنتاج في البداية تكون مرتفعة للغاية ولكن تكاليف إنتاج القطع لاحقاً تكون منخفصة جداً. يمكن لهذه التقنية إنتاج كميات كبيرة بشكل متكرر ومتناسق، لهذا تعتبر هي الأكثر فعالية من حيث التكلفة.
مقارنة بين الثلاثة (3) طرق:
التصنيع يعتبر معقد، وهناك أوجه كثيرة للمقارنة لاختيار أفضل طريقة بين الثلاث، ولكن لتسهيل الموضوع وضعنا الحالات الاكثر ملائمة لكل طريقة بالأسفل:
- التصنيع الإضافي ملائم لانتاج كميات منخفضة مع تصاميم معقدة، وبسرعة عالية.
- التصنيع الطرحي هو الأفضل للكميات المتوسطة، والتصاميم البسيطة.
- التصنيع التكويني هو الأفضل لإنتاج كميات كبيرة بتناسق كبير بين جميع المنتجات.
عادةً ما تكون التكلفة الكلية هي العامل الذي يحدد أي عملية تصنيع هي الأفضل. كمثال تقريبي، يمكن تصور تكاليف الوحدة لكل طريقة على النحو التالي:
تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد
مع الانتشار الواسع للطباعة الثلاثية في السوق، قد يكون من الصعب فهم جميع المصطلحات والتقنيات المستخدمة في هذا المجال. لهذا السبب سوف نتعرف على جميع جوانب هذه التكنولوجيا في هذا المقال.
الأنواع المختلفة للطباعة الثلاثية أبعاد
يمكن تعديد جميع أنواع الطابعة الثلاثية الأبعاد إلى العمليات التالية:
- البلمرة الضوئية: تتم معالجة المواد باستخدام البوليمر الضوئي
- نفث المواد: يتم ترسيب المواد الحرارية المنصهرة من خلال فوهة ساخنة
- دمج المواد المطحونة: يتم دمج جزيئات المواد المطحونة باستخدام مصدر عالي الطاقة
- ضخ المواد: يتم ضخ قطرات من مواد الصهر السائل الحساس للضوء على شكل طبقات ومعالجتها بالضوء
- نفث المواد بشكل ملفات: يتم نفث قطرات من المواد المسالة على طبقة محببة، والتي يتم تلبيدها معًا فيما بعد
- نفث الطاقة المباشرة: يتم نفث المعدن المنصهر ودمجه في نفس الوقت
- تقطيع الصفائح: يتم قطع الصفائح الفردية من المواد لتشكيلها
عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد
هناك سبع عمليات رئيسية للطباعة ثلاثية الأبعاد. لكل نوع من هذه العمليات له تقنية خاصة، ولكل تقنية توجد شركات تصنع طابعات مختلفة تعمل على تلك التقنية.
1. بلمرة ضوئية
البلمرة الضوئية هي عملية تعرض المادة السائلة الخاصة (Resin) لبوليمر ضوئي بأطوال موجية معينة من الضوء ليتحول من الحالة السائلة الى الصلبة.
الايجابيات
- سطح ناعم وأملس
- تفاصيل الدقيقة
- جيد للنماذج الأولية
السلبيات
- هش
- عادة يحتاج لقواعد دعم
- حساس للأشعة فوق البنفسجية
- يحتاج لعمليات طويلة
2. دمج المواد المطحونة
نستخدم في هذه التقنية مصدرًا حراريًا للحث على اندماج أو ذوبان الجزيئات مسحوق البلاستيك أو المعدن مع بعضها لتكون طبقة واحدة في كل مرة.
الايجابيات
- أجزاء قوية (نايلون)
- تصاميم معقدة
- قابلة للتوسع (حسب الحجم)
- لا تحتاج الى دعامات
السلبيات
- وقت إنتاج أطول
- ارتفاع التكلفة (الآلات والمواد والتشغيل)
3. نفث المواد
تعمل تقنية نفث المواد بشكل بسيط حيث يتم ضغط المادة ونفثها عبر فوهة على لوحة التصميم، طبقة تلو الأخرى لتشكيل الجسم المطلوب. هذه الفئة من الطباعة ثلاثية الأبعاد تعتبر الأكثر استخدامًا.
الايجابيات
- وقت انتاج سريع
- تكلفة منخفضة
- سهولة الحصول على المواد
السلبيات
- السطح خشن
- القطع المطبوعة فيها اختلاف بسيط
- يتطلب دعامات
- دقة محدودة
4. ضخ المواد
هذه التقنية تعتمد على ضخ مواد من البوليمرات أو الشمع وتقويتها باستخدام الأشعة فوق البنفسجية أو الحرارة لبناء الأجزاء طبقة واحدة حتى يتم تشكيل التصميم المطلوب.
الايجابيات
- نماذج أكثر واقعية
- تفاصيل ممتازة
- دقة عالية
- سطح أملس
السلبيات
- تكلفة العالية
- هشة
5. نفث المواد بشكل ملفات
يتم استخدام رأس طباعة لنفث عامل لاصق ملازم لطبقات رقيقة من المواد المطحونة لربط المواد مع بعضها.
الايجابيات
- خيارات الألوان متعددة
- مجموعة واسعة من المواد
- لا تحتاج دعامات
السلبيات
- قوة منخفضة
- أقل دقة من نفث المواد
6. نفث الطاقة المباشرة
يقوم نافث الطاقة المباشرة بإنشاء الاجسام الثلاثية الأبعاد عن طريق إذابة المواد المطحونة أثناء نفثها.
الايجابيات
- أجزاء قوية
- مجموعة واسعة من المواد
- أحجام أكبر
السلبيات
- التكلفة العالية
- خشونة السطح
7. تقطيع الصفائح
تعمل هذه التقنية على تكديس الصفائح الرقيقة المصنوعة من المواد فوق بعضها البعض لتصنيع الأشكال.
الايجابيات
- انتاج سريع
- تكلفة منخفضة
- لا تحتاج دعامات
- طبقات متعددة المواد
السلبيات
- تحتاج الى معالجة بعد الطباعة
- مواد محدودة
يمكن تلخيص جميع تقنيات الطباعة الثلاثية أبعاد في المخطط التالي:
كيف تختار عملية الطباعة الأنسب لك
قد يكون تحديد عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد الأمثل لمنتج عين أمرًا صعبًا نظرًا لوجود أكثر من عملية مناسبة.هناك ثلاثة جوانب رئيسية يجب مراعاتها عن الاختيار:
- خصائص المواد المطلوبة: القوة، الصلابة، وغيرها.
- متطلبات التصميم الوظيفي والمرئي: مثل ملمس السطح، مقاومة الحرارة.
- إمكانيات عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد: الدقة، حجم المجسم، إلخ.
باختصار لاختيار العملية الصحيحة يجب مراعاة النقاط التالية:
- المواد المطلوبة
- الوظيفة المطلوبة أو المظهر المرئي
- الدقة المطلوبة أو حجم البناء
برامج الطباعة ثلاثية الأبعاد
قبل بدأ عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد يجب أن يكون لديك برنامج مخصص للطباعة، وهناك العديد من البرامج المختلفة للمساعدة في كلتا المرحلتين: التصميم والطباعة، بدءًا من تصميم الجسم الثلاثي أبعاد وانتهاءً بمحاكاة عملية الطباعة والتشكيل.
ما البرنامج الذي يجب أن تستخدمه للطباعة ثلاثية الأبعاد؟
الطريقتان الرئيسيتان للتصميم الثلاثي أبعاد هما "التصميم الصلب" و"التصميم السطحي"، وهناك حزم برامج CAD مختصة لكل طريقة. يعمل التصيم الصلب على تشكيل أجسام افتراضية عن طريق اختيار أشكال ثلاثية أبعاد معرفة مسبقاً في البرنامج وربطها مع بعض لتكوين شكل جديد. الاختلاف الوحيد بالنسبة الى التصميم السطحي هو أن المصمم يبدأ باستخدام أشكال ثنائية الأبعاد لتصميم الجسم الثلاثي أبعاد.
يمكن الوصول الى نتائج مذهلة باستخدام كلتا الطريقتين، ولكن التصميم الصلب يكون أكثر فاعلية وسرعة لتصميم اللأشكال الغير طبيعية، في حين أن التصميم السطحي يكو أسرع بالنسبة للأشكال البسيطة و الطبيعية. تعد هذه البرامج من أكثر البرامج شعبية لدى المحترفين:
- SolidWorks
- Fusion 360
- Rhino 3D
تتضمن أغلب برامج الطباعة ثلاثية الأبعاد خاصية محاكاة الطباعة وأدوات إصلاح أخطاء الملفات.
كيفية الحصول على منتج ثلاثي الأبعاد مطبوع
لقد قطعت الطباعة ثلاثية الأبعاد شوطًا طويلًا منذ انطلاقها، وأصبح الآن من السهل جدًا الحصول على أجسام مطبوعة بتقنية الطباعة الثلاثية أبعاد بسرعة وتكلفة بسيطة.
شراء طابعة أو استخدام خدمة الطباعة ثلاثية الأبعاد اون لاين؟
هل يجب عليك شراء طابعة ثلاثية أبعاد الخاصة بك أو استخدام خدمة الطباعة عبر الإنترنت؟ إنه قرار مهم يجب اتخاذه، لذلك قمنا بجمع الاسباب لكلا الجانبين لمساعدتك على اتخاذ القرار الملائم لك.
| شراء طابعة | استخدام الخدمات عبر الإنترنت |
|---|---|
| تحتاج إلى طباعة (10-25 منتج في الأسبوع) | تحتاج إلى عدد قليل (أقل من 10) أو أعداد كبيرة (25+) من المنتجات المطبوعة أسبوعيًا |
| لديك منتج ونوع واحد | تريد طباعة منتجات ومواد متعددة |
| أنت على استعداد للقيام بالاستثمار عن طريق شراء المعدات الخاصة بك | تريد الوصول إلى أحدث التقنيات في جميع الأوقات |
| أنت على استعداد لإعداد الطباعة وتحسينها | تفضل تركيز وقتك على تصميم النماذج وتحسينها |
| لديك المساحة والوقت اللازمين لتجهيز الطابعة وتشغيلها | تريد الاختبار والتعلم أولاً قبل أن تقرر الطابعة التي ستشتريها |
