الطباعة ثلاثية الأبعاد أو (التصنيع التراكمي) هي عملية صنع أجسام صلبة ثلاثية الأبعاد باستخدام البرامج الحاسوبية (ملف رقمي) ومن ثم طباعته (تصنيعه) بواسطة طابعة ثلاثية الأبعاد.
عملية الطباعة تتم عن طريق رص طبقات متتالية من المواد حتى يكتمل شكل الجسم المراد تصنيعه.
يمكن رؤية كل هذه الطبقات كمقطع عرضي أفقي على شكل شرائح رقيقة لتشكل الجسم النهائي.
الطباعة ثلاثية الأبعاد تساعد في إنتاج أشكال معقدة جدًا باستخدام كمية أقل من المواد على عكس طرق التصنيع التقليدية.
كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
كل شيء يبدأ بنموذج مصور للجسم الذي نريد طباعته، وهذا الجسم يتم تصميمه عن طريق مجموعة من البرمجيات ويعد أبرز هذه البرمجيات تكنولوجيا التصميم بمساعدة الحاسوب. ومن أهم فوائد الطباعة ثلاثية الأبعاد بأنها تعد نموذج أولي سريع لأي شيء نريده.
ويتم ذلك عن طريق استخدام ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد أو تطبيق أو جهاز لمسي أو رمز أو برنامج نمذجة ثلاثية الأبعاد.
برامج تصميم النماذج ثلاثية الأبعاد
هناك الكثير من برامج النمذجة ثلاثية الأبعاد المختلفة وهي متاحة. حيث يمكن أن يكلف برنامج الصف الصناعي بسهولة الآلاف سنويًا لكل ترخيص، ولكن هناك برنامج مفتوح المصدر يمكن الحصول عليه مجانًا.
إن البرنامج المستخدم في عملية التصميم يمكنه توفير معلومات عن التكامل الهيكلي للنموذج النهائي المتوقع، ويتم ذلك عن طريق بيانات علمية لمواد محددة حيث تتم محاكاة افتراضية لتوضيح طريق عمل الغرض في ظروف معينة.
غالبًا ما يتم توصية الأشخاص المبتدئين البدء مع Tinkercad فهو مجاني ويعمل من خلال المتصفح، أي أن الشخص غير مضطر لتثبيته على جهاز الحاسوب الخاص به. حيث يقدم Tinkercad دروسًا للمبتدئين ولديه ميزة مدمجة لطباعة النموذج ثلاثي الأبعاد عبر خدمة طباعة ثلاثية الأبعاد.
الآن بعد الحصول على النموذج ثلاثي الأبعاد، فإن الخطوة التالية هي التقطيع.
التقطيع (التشريح أو التقسيم)
عملية التقطيع: هي تحضير الملف للطابعة ثلاثية الأبعاد.
كيف يتم تقطيع النموذج ثلاثي الأبعاد إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد؟
يتم تقسيم النموذج الثلاثي الأبعاد إلى مئات أو آلاف الطبقات الأفقية ويتم هذا باستخدام برنامج التقطيع (التشريح).
تحتوي بعض الطابعات ثلاثية الأبعاد على أداة تقطيع مدمجة تحول النموذج إلى ملف بصيغة (stl أو obj أو حتى CAD).
بعد ذلك يتم الانتقال إلى آلة التصنيع التجميعي حيث يتم تعديل الملف الذي يحمل إحدى هذه الصيغ(stl, obj, CAD)، ويقوم المستخدم بنسخ هذا الملف إلى الحاسوب الموصول بالطابعة ثلاثية الأبعاد، من أجل تحديد الحجم والاتجاه الذي يريدهما للطباعة.
وعندما يصبح الملف جاهزًا لتغذية الطابعة ثلاثية الأبعاد. يمكن القيام بذلك عبر USB أو SD أو الإنترنت.
تشمل الطباعة ثلاثية الأبعاد الكثير من أشكال التقنيات والمواد حيث يتم استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد تقريبًا في جميع الصناعات.
بعض الأمثلة على الطباعة ثلاثية الأبعاد
- المنتجات الاستهلاكية (نظارات، أحذية، تصميم، أثاث)
- المنتجات الصناعية (أدوات التصنيع، النماذج الأولية، الأجزاء الوظيفية للاستخدام النهائي)
- منتجات الأسنان
- الأطراف الصناعية
- نماذج ومقاسات معمارية
- إعادة بناء الأحافير
- نسخ القطع الأثرية القديمة
- إعادة بناء الأدلة في علم الطب الشرعي
- دعائم الفيلم
النماذج الأولية السريعة والتصنيع السريع
استخدمت الشركات طابعات ثلاثية الأبعاد في عملية التصميم من أجل إنشاء نماذج أولية كان ذلك في أواخر السبعينيات. كما يسمى استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد لهذه الأغراض النماذج الأولية السريعة.
لماذا تم استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد للنماذج الأولية السريعة؟
باختصار لأنه يعتبر سريع ورخيص بشكل نسبي.
يتم تحويل الفكرة إلى نموذج ثلاثي الأبعاد حيث يمكن الاحتفاظ بنموذج أولي بين يدي المستخدم، وإن المسألة تستغرق بضعة أيام بدلًا من أسابيع. والتكرار فيها أسهل وأرخص من حيث التصنيع ولا يحتاج إلى قوالب أو أدوات مرتفعة الثمن.
بالإضافة إلى النماذج الأولية السريعة، تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد أيضًا في التصنيع السريع.
ما هو التصنيع السريع؟
التصنيع السريع هو طريقة جديدة للتصنيع حيث تستخدم الشركات طابعات ثلاثية الأبعاد لتصنيع مخصص قصير المدى / دفعة صغيرة. ويعمل من خلال مسح الأجسام ضوئيًا أو يعتمد على البيانات الرقمية لانتاج نسخ ملموسة منها عن طريق مطبعة خاصة.
أنواع تقنيات وعمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد
هناك عدة طرق للطباعة ثلاثية الأبعاد. كل هذه التقنيات تعتبر مضافة، ومن المؤكد أنها تختلف بشكل أساسي في طريقة بناء الطبقات لإنشاء النموذج.
فهناك بعض الطرق التي يتم فيها استخدام مواد صهر أو تليين لبثق الطبقات. والبعض الآخر منها يعالج راتينجًا تفاعليًا ضوئيًا باستخدام ليزر فوق بنفسجي (أو مصدر ضوء آخر مشابه) طبقة بعد طبقة.
لنكون أكثر دقة: منذ عام 2010، طورت الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد مجموعة (ASTM) التصنيع المضاف “ASTM F42”.
كما طورت مجموعة من المعايير التي تصنف عمليات التصنيع المضافة إلى فئات وفقًا للمصطلحات القياسية لتقنيات التصنيع المضافة.
وهذه العمليات هي:
- البلمرة الضوئية
- التصوير الحجمي المجسم (SLA)
- معالجة الضوء الرقمي (DLP)
- الإنتاج المستمر لواجهة السائل (CLIP)
- نفث المواد
- النفث الموثق
- بثق المواد
- نمذجة الترسيب المنصهر (FDM)
- تصنيع الشعيرات المنصهرة (FFF)
- انصهار طبقة المسحوق
- Multi Jet Fusion (MJF)
- تلبيد ليزر انتقائي (SLS)
- التلبيد المباشر بالليزر للمعادن (DMLS)
- تصفيح الصفائح
- ترسيب الطاقة الموجه
البلمرة الضوئية
تحتوي الطابعة ثلاثية الأبعاد التي تعمل عن طريق البلمرة الضوئية على حاوية مليئة براتنج البوليمر الذي يتم تصليبه من خلال مصدر ضوئي فوق بنفسجي
التصوير الحجمي المجسم (SLA)
التكنولوجيا المستخدمة بشكل كبير في هذه العمليات هي الطباعة الحجرية المجسمة (SLA). حيث تستخدم هذه التقنية وعاءً من راتنجات البوليمر الضوئي السائلة القابلة للعلاج بالأشعة فوق البنفسجية والليزر فوق البنفسجي لبناء طبقات النموذج طبقة تلو طبقة، يتتبع شعاع الليزر مقطعًا عرضيًا لنمط الجزء على سطح الراتنج السائل. إن التعرض لأشعة الليزر فوق البنفسجية يشفي ويصلب النمط المتتبع على الراتنج وينضم إلى الطبقة أدناه.
بعد تتبع النمط، تنحدر منصة المصاعد التابعة لـ SLA بمسافة تساوي سمك طبقة واحدة، عادةً ماتكون حوالي 0.05 مم إلى 0.15 مم (0.002 ″ إلى 0.006 ″). ثم تكتسح شفرة مملوءة بالراتنج عبر المقطع العرضي للجزء، وتعيد طلائها بمواد جديدة. على هذا السطح السائل الجديد، ثم يتم تتبع نمط الطبقة اللاحقة، لينضم إلى الطبقة السابقة. يتكون هذا المشروع من نموذج ثلاثي الأبعاد كامل. تتطلب الطباعة الحجرية المجسمة استخدام الهياكل الداعمة التي تعمل على إرفاق الجزء بمنصة المصعد والإمساك بالنموذج لأنه يطفو في الحوض المملوء بالراتنج السائل. تتم إزالة هذه يدويًا بعد الانتهاء من النموذج.
تم اختراع هذه التقنية في عام 1986 من قبل “تشارلز هال”، الذي يعتبر المؤسس لشركة أنظمة ثلاثية الأبعاد في ذلك الوقت.
معالجة الضوء الرقمي (DLP)
يشير DLP أو المعالجة الرقمية للضوء إلى طريقة طباعة تستخدم البوليمرات الضوئية والحساسة للضوء. في حين أنها تشبه إلى حد كبير التصوير الحجمي المجسم، إلا أن الفرق الرئيسي هو مصدر الضوء. يستخدم DLP مصادر الضوء التقليدية مثل: مصابيح القوس.
في معظم أشكال DLP، يتم إسقاط كل طبقة من الهيكل المطلوب على وعاء من الراتنج السائل الذي يتم بعد ذلك ترسيخ طبقة تلو الأخرى مع تحرك لوحة التصميم لأعلى أو لأسفل. بما أن العملية تقوم بكل طبقة على التوالي، فهي أسرع من معظم أشكال الطباعة ثلاثية الأبعاد.
الإنتاج المستمر لواجهة السائل (CLIP)
واحدة من أسرع العمليات باستخدام البلمرة الضوئية وتسمى: (CLIP)، وهو اختصار للإنتاج المستمر للواجهة السائلة، الذي طوره الكربون.
تركيب الضوء الرقمي
إن جوهر آلية عمل عملية CLIP هو تقنية تركيب الضوء الرقمي. في هذه التقنية يتم عرض الضوء الناتج عن محرك ضوء LED (عالي الأداء مخصص) سلسلة من صور الأشعة فوق البنفسجية التي تعرض مقطعًا عرضيًا من الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد مما يتسبب في علاج راتينج قابل للعلاج بالأشعة فوق البنفسجية جزئيًا بطريقة يتم التحكم فيها بدقة. يمر الأكسجين عبر نافذة الأكسجين القابلة للاختراق مما يخلق واجهة سائلة رقيقة من الراتنج غير المعالج بين النافذة والجزء المطبوع المعروف بالمنطقة الميتة. المنطقة الميتة رقيقة جدًا مثل (10 ميكرون). داخل المنطقة الميتة، يمنع الأكسجين الضوء من معالجة الراتنج الموجود بالقرب من النافذة مما يسمح بالتدفق المستمر للسائل تحت الجزء المطبوع. فوق المنطقة الميتة مباشرة، يتسبب الضوء المسقط للأشعة فوق البنفسجية في سلسلة متتالية مثل: علاج الجزء.
الطباعة ببساطة باستخدام أجهزة الكربون وحدها لا تسمح بخصائص الاستخدام النهائي مع تطبيقات العالم الحقيقي. بمجرد تشكيل الضوء للجزء، حيث تحقق عملية المعالجة الثانية القابلة للبرمجة الخصائص الميكانيكية المطلوبة عن طريق خبز الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد في حمام حراري أو فرن. يضبط المعالجة الحرارية المبرمجة الخواص الميكانيكية عن طريق تشغيل تفاعل كيميائي ثانوي مما يتسبب في تعزيز المادة لتحقيق الخواص النهائية المرغوبة.
تتساوى المكونات المطبوعة بتقنية الكربون مع الأجزاء المصبوبة بالحقن. تنتج تقنية التركيب الضوئي الرقمي خصائص ميكانيكية متناسقة ويمكن التنبؤ بها، مما يخلق أجزاء متماثلة حقا.
نفث المواد
في هذه العملية، يتم تطبيق المواد في قطرات من خلال فتحة قطرها صغير، على طريقة مماثلة للطريقة التي تعمل بها طابعة ورق الحبر الشائعة، ولكن يتم تطبيقها طبقة تلو الأخرى على منصة بناء تصنع نموذجًا ثلاثي الأبعاد ثم يتم تصليبها عن طريق الأشعة فوق البنفسجية.
النفث الموثق
في النفث الموثق يتم استخدام مادتين: مادة قاعدة المسحوق وموثق سائل. حيث يتم في غرفة البناء، انتشار المسحوق في طبقات متساوية ويتم تطبيق الموثق من خلال فوهات نفاثة تعمل على “لصق” جزيئات المسحوق على شكل نموذج ثلاثي الأبعاد مبرمج. يتم لصق النموذج النهائي بواسطة المادة اللاصقة في الحاوية مع مادة قاعدة المسحوق. وبعد الانتهاء من الطباعة، يتم تنظيف المسحوق المتبقي لاستخدامه في طباعة ثلاثية الأبعاد للنموذج التالي.
تم تطوير هذه التقنية لأول مرة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 1993 وفي عام 1995 حصلت شركة Z Corporation على ترخيص حصري.
بثق المواد
إن التقنية الأكثر استخدامًا في هذه العملية هي نمذجة الترسيب المنصهر (FDM).
نمذجة الترسيب المنصهر (FDM)
نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) ، وهي طريقة للنماذج الأولية السريعة:
- إخراج المواد المنصهرة (البلاستيك)
- المواد المودعة (الجزء النموذجي)
- الجدول المتحرك المتحكم فيه
تعمل تقنية FDM باستخدام خيوط من البلاستيك أو أسلاك من المعدن يتم فكها من الملف وتزويد المواد إلى فوهة البثق التي يمكنها تشغيل التدفق وإيقافه. يتم تسخين الفوهة لإذابة المواد ويمكن تحريكها في كلا الاتجاهين الأفقي والرأسي من خلال آلية يتم التحكم فيها رقميًا، ويتم التحكم فيها مباشرةً عن طريق حزمة برامج التصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM). يتم إنتاج النموذج عن طريق بثق المادة المنصهرة لتكوين طبقات حيث تتصلب المادة فورًا بعد البثق من الفوهة. يتم استخدام هذه التقنية على نطاق واسع مع نوعين من خيوط الطابعة البلاستيكية ثلاثية الأبعاد: ABS (الأكريلونيتريل بوتادين ستايرين) و PLA (حمض بولي لاكتيك).
تم اختراع تقنية FDM من قبل سكوت كرومب في أواخر الثمانينيات. بعد الحصول على براءة اختراع لهذه التكنولوجيا، بدأت شركة Stratasys في عام 1988. المصطلح Fused Deposition Modeling واختصاره لـ FDM هي علامة تجارية لشركة Stratasys Inc.
تصنيع الشعيرات المنصهرة (FFF)
المصطلح (FFF) اختصار ل (Fament Filament Fabrication) صاغه أعضاء مشروع RepRap لإعطاء عبارة غير مقيدة قانونيًا في استخدامه.
هناك العديد من تكوينات الطابعة الشعيرة ثلاثية الأبعاد.
الترتيبات الأكثر شعبية هي:
- الديكارتية- XY- الرأس
- الديكارتية- XZ- الرأس
- دلتا
- النواة XY
- الديكارتية- XY- الرأس
أول طابعة RepRap 3D “داروين”، كانت مبنية على ترتيب الرأس الديكارتي- XY. يتحرك رأس الطارد فوق المحور X و Y وقاعدة الطباعة فوق Z.
حركة المحور Z على طابعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الديكارتية- XY- الرأس الترتيب دقيق للغاية ويتطلب تسارعات منخفضة جدًا، ولكن يجب أن تكون قاعدة الطباعة خفيفة الوزن من أجل الحفاظ على الدقة.
الديكارتية- XZ- الرأس
تم تقديم ترتيب الرأس الديكارتي- XZ لأول مرة من قبل مندل الذي كان الإصدار الثاني من RepRap الأصلي – داروين. يختلف هذا الترتيب عن الديكارتية- XY- الرأس لأنه يحرك قاعدة الطباعة فوق المحور Y ورأس الطارد فوق المحور X والمحور Z.
دلتا
يعود اسم طابعات Delta 3D إلى الطريقة التي يتم بها دعم رأس الطارد بثلاثة أذرع في تكوين مثلث. فائدة ترتيب دلتا هو أن الأجزاء المتحركة خفيفة الوزن وبالتالي تحد من القصور الذاتي. وهذا يؤدي إلى طباعة أسرع وأكثر دقة.
النواة XY
النواة XY هو ترتيب ديكارت، والتي تزداد شعبيتها بسرعة. تعتمد الحركة على جسر XY على التأثير المشترك لمحركات X و Y.
النواة XY هو نظام مناور متوازي، مما يعني أن المحركات في نظام النواة XY ثابتة. توفر أنظمة المعالجة المتوازية تسارعًا أسرع من تكوينات التراص التسلسلي مثل الديكارتية- XZ- الرأس.
انصهار طبقة المسحوق
التقنية الأكثر استخدامًا في هذه العملية هي الليزر الانتقائي (SLS).
Multi jet fusion
تم تطوير تقنية Multi Jet Fusion من قبل شركة Hewlett Packard. تعمل التقنية على النحو التالي: يقوم ذراع كاسح بإيداع طبقة من مسحوق المواد ثم يقوم ذراع آخر مجهز بنفث الحبر بتطبيق عامل ربط على المادة بشكل انتقائي. تقوم الطابعات النافثة للحبر أيضًا بإيداع عامل تفصيل حول الموثق لضمان الأبعاد الدقيقة والأسطح الملساء. وأخيرًا تتعرض الطبقة لانفجار من الطاقة الحرارية التي تتسبب في تفاعل العوامل، تتكرر العملية حتى تكتمل كل طبقة. يمكن للطابعات إيداع 30 مليون قطرة في الثانية لتحقيق إنتاج سريع ودقيق للغاية، ويمكن استخدام عوامل متعددة في جزء واحد، مما يعني أن الأجزاء يمكن أن يكون لها ألوان مختلفة وخصائص ميكانيكية حتى voxel (بكسل ثلاثي الأبعاد).
تلبيد ليزر انتقائي (SLS)
يستخدم SLS ليزر عالي الطاقة لدمج الجزيئات الصغيرة من المساحيق البلاستيكية أو الخزفية أو الزجاجية في كتلة لها الشكل الثلاثي الأبعاد المطلوب. يدمج الليزر بشكل انتقائي المواد المسحوقة عن طريق مسح المقاطع العرضية (الطبقات) الناتجة عن برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد على سطح طبقة المسحوق. بعد مسح كل مقطع عرضي، يتم خفض طبقة المسحوق بسماكة طبقة واحدة. ثم يتم تطبيق طبقة جديدة من المواد في الأعلى وتتكرر العملية حتى يكتمل النموذج.
التلبيد المباشر بالليزر للمعادن (DMLS)
DMLS في الأساس هو نفس SLS، ولكن DMLS يستخدم مسحوقًا معدنيًا بدلًا من المساحيق المستخدمة في SLS.
إن كل ما تبقى من المسحوق أي المسحوق الذي لم يتم استخدامه يبقى كما هو ويصبح هيكل دعم للنموذج. كما يمكن إعادة استخدام المسحوق غير المستخدم للطباعة التالية.
وبسبب زيادة قوة الليزر، قد تطورت DMLS إلى عملية ذوبان بالليزر.
تصفيح الصفائح
يشمل تصفيح الصفائح على مواد في صفائح مرتبطة معًا بقوة خارجية. يمكن أن تكون الصفائح معدنية أو ورق أو شكل بوليمر. يتم لحام الألواح المعدنية معًا عن طريق اللحام بالموجات فوق الصوتية في طبقات ثم طحنها باستخدام الحاسب الآلي في شكل مناسب. يمكن استخدام الأوراق الورقية أيضًا، ولكن يتم لصقها بغراء لاصق وتقطيعها بواسطة شفرات دقيقة.
ترسيب الطاقة الموجهة
تستخدم هذه العملية في أغلب الأحيان في صناعة المعادن عالية التقنية وفي تطبيقات التصنيع السريع. عادة ما يتم توصيل جهاز الطباعة ثلاثية الأبعاد بذراع آلي متعدد المحاور ويتكون من فوهة ترسب مسحوقًا أو سلكًا معدنيًا على سطح ومصدر طاقة يذيبه (ليزر أو شعاع إلكترون أو قوس بلازما)، مشكلًا جسمًا صلبًا.
المواد التي يمكن استخدامها في عمليات التصنيع المضاف
يمكننا استخدام ستة أنواع من المواد في التصنيع المضاف: البلاستيك والمعادن والأسمنت والسيراميك والورق وبعض المواد الغذائية (مثل: الشوكولاتة).
غالبًا ما يتم إنتاج المواد في المواد الخام السائلة كما أنها معروفة أيضًا باسم خيوط الطابعة ثلاثية الأبعاد أو شكل المسحوق أو الراتنج السائل. تغطي جميع تقنيات الطباعة الثلاثية الأبعاد الموصوفة سابقًا استخدام هذه المواد، على الرغم من أن البوليمرات هي الأكثر استخدامًا وبعض التقنيات المضافة تتجه نحو استخدام مواد معينة على غيرها.
