تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد ومعدات إنتاج المواد

نشأت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في تسعينيات القرن الماضي، وبفضل مبدأها الخاص بتشكيل الطبقات المتتالية، تُتيح هذه التقنية تشكيل أجزاء هيكلية معقدة بسرعة وبشكل متكامل، ما يجعلها تقنية ثورية في مجال التصنيع. تُعرف الطباعة ثلاثية الأبعاد أكاديميًا باسم التصنيع السريع للنماذج الأولية (RPM). ويُطلق على التقسيم التقني لعملية التصنيع اسم التصنيع بالإضافة (AM).

مبدأ الطباعة ثلاثية الأبعاد

الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية سريعة لإنتاج النماذج الأولية، وتعتمد على ملف نموذج رقمي باستخدام مسحوق المعادن أو البلاستيك ومواد لاصقة أخرى، حيث يتم بناء المجسم طبقةً تلو الأخرى. يقوم مبدأها الأساسي على مبدأ التراكم المنفصل، حيث يتم تحديد مسار التراكم وحدوده وطريقته بشكل منفصل، ثم يتم "تراكب" المادة لتشكيل كيان ثلاثي الأبعاد. في البداية، يتم الحصول على النموذج ثلاثي الأبعاد من خلال برنامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، أو يتم قياس بيانات سطح الجزء المراد طباعته باستخدام جهاز قياس وتحويلها إلى نموذج ثلاثي الأبعاد. بعد ذلك، تتم معالجة نموذج CAD، حيث يتم تقسيمه إلى طبقات على طول اتجاه معين (عادةً الاتجاه Z)، ثم يتم تقسيم الشرائح المستوية إلى طبقات. بعد ذلك، يتم دمج معلومات التقسيم المنفصل مع معلومات معلمات عملية التشكيل لتحويلها إلى رمز التحكم الرقمي لآلة التشكيل، ويتم تشكيل جزء صلب ثلاثي الأبعاد بواسطة نظام CAM خاص يتحكم في المادة بدقة وانتظام.

تحضير مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن

نظراً لمتطلبات تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن فيما يخص مساحيق المعادن، فمن الضروري استيفاء شروط كروية جيدة، وتوزيع ضيق لحجم الجسيمات، وانخفاض محتوى الأكسجين، ونقاء عالٍ، لذا فإن معدات إنتاج هذه المساحيق تخضع أيضاً لمتطلبات أعلى. توجد ثلاثة أنواع رئيسية من تقنيات تحضير مساحيق الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن: معدات التذرية بالهواء، ومعدات التذرية بالبلازما، ومعدات التشكيل بالبلازما بترددات الراديو.

من بينها، تعتمد معدات إنتاج مسحوق التذرية من شركة هونان تيانجي ترو إير على تقنية أساسية تتمثل في [مرذاذ الغاز فوق الصوتي المترابط بإحكام] عالي الكفاءة، مما يحسن معدل جودة المسحوق، ويقلل من استهلاك الهواء، ويخفض تكاليف الإنتاج. كما أنها مزودة بنظام كشف محتوى الأكسجين عبر الإنترنت لتقليل زيادة الأكسجين، مما يجعلها أداة فعالة لإنتاج مسحوق كروي للطباعة ثلاثية الأبعاد.

الطباعة ثلاثية الأبعاد، والمعروفة أيضًا بالتصنيع الإضافي، مصطلح شامل يضم عدة عمليات طباعة ثلاثية الأبعاد متميزة. تختلف هذه التقنيات اختلافًا كبيرًا، لكن العمليات الأساسية متشابهة. على سبيل المثال، تبدأ جميع عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد بنموذج رقمي لأن هذه التقنية رقمية بطبيعتها. يُصمم الجزء أو المنتج مبدئيًا باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) أو ملف إلكتروني مُستخرج من مكتبة أجزاء رقمية. ثم يُقسّم ملف التصميم إلى شرائح أو طبقات للطباعة ثلاثية الأبعاد بواسطة برامج خاصة لإعداد الطباعة، مما يُولّد تعليمات مسار تتبعها الطابعة ثلاثية الأبعاد. ستتعرف لاحقًا على الاختلافات بين هذه التقنيات والاستخدامات الشائعة لكل منها.

يمكن تقسيم أنواع التصنيع الإضافي وفقًا للمنتجات التي تنتجها أو أنواع المواد التي تستخدمها، حيث تصنفها المنظمة الدولية للمعايير (ISO) إلى سبعة أنواع عامة (لكن فئات الطباعة ثلاثية الأبعاد السبع هذه تكافح أيضًا لتغطية العدد المتزايد من الأنواع الفرعية للتكنولوجيا والتقنيات الهجينة).

● بثق المواد

● بلمرة الاختزال

● دمج طبقة المسحوق

● حقن المواد

● بخاخ لاصق

● ترسيب الطاقة الموجه

● تغليف الصفائح

تصنيف الطباعة ثلاثية الأبعاد

تعتمد تقنية الطباعة المجسمة الضوئية (SLA) ، والمعروفة أيضًا باسم الطباعة المجسمة، على مبدأ البلمرة الضوئية للراتنجات السائلة الحساسة للضوء. حيث تتصلب المادة السائلة بسرعة تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية ذات طول موجي وكثافة محددين، فتحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. يُملأ خزان السائل بالراتنج السائل الحساس للضوء، ويُمرر شعاع الليزر على سطح السائل بواسطة مرآة عاكسة، فيتصلب السائل في المنطقة التي يمر بها الضوء. بعد اكتمال مسح طبقة، تبقى المنطقة غير المضاءة من الراتنج السائل. تقوم منصة الرفع بتحريك المنصة إلى الأسفل، فتُغطى الطبقة المتكونة بطبقة أخرى من الراتنج، ثم يقوم الكاشط بتسوية سطح الراتنج السائل ذي اللزوجة العالية، ثم يمسح الطبقة التالية. تلتصق الطبقة المتصلبة حديثًا بالطبقة السابقة بإحكام، وهكذا حتى يتم تصنيع الجزء بالكامل، والحصول على نموذج ثلاثي الأبعاد صلب.

تُعرف تقنية التصنيع الصلب الطبقي (LOM) بتشكيل الأجزاء عن طريق القطع بالليزر ولصق مواد رقيقة (مثل الورق المطلي من الخلف)، وتُسمى أيضًا بالتصنيع الصلب الرقائقي. تتمثل العملية في لصق الورق المطلي بالغراء الساخن أولًا، وذلك بالضغط عليه بواسطة أسطوانة تسخين. في هذه المرحلة، يتم وضع الورق فوق الليزر وفقًا للبيانات المُستقاة من نموذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) الطبقي. ثم تُقطع طبقة من الورق لتُطابق الخطوط الداخلية والخارجية للجزء، ثم تُوضع طبقة جديدة من الورق فوقها وتُلصق بواسطة جهاز الضغط الحراري، ثم يُعاد القطع بالليزر. تتميز هذه الطريقة بسرعة التشكيل العالية والتكلفة المنخفضة.

تعتمد تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) على تسخين مساحيق قابلة للانصهار أو غير معدنية (مثل البارافين، والبلاستيك، ورمل الراتنج، والنايلون، وغيرها) طبقة تلو الأخرى باستخدام شعاع ليزر للوصول إلى درجة حرارة التلبيد وتشكيلها. عند اكتمال الطبقة الأولى، تُخفض طاولة العمل ارتفاع الطبقة التالية، وتُوزع مسحوقها، ثم تُمسح الطبقة الثانية، فتلتصق الطبقة الملبدة حديثًا بالطبقة السابقة بإحكام، وهكذا، حتى نحصل في النهاية على مجسم ثلاثي الأبعاد مطابق لنموذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD).

تعتمد تقنية الترسيب المنصهر (FDM) على مبدأ أساسي يتمثل في التحكم بفوهة التسخين لتتحرك في المستويين XY وZ وفقًا لمعلومات المقطع العرضي. يُرسل سلك المادة (مثل سلك بلاستيكي أو سلك بارافين، إلخ) إلى الفوهة بواسطة آلية تغذية الأسلاك، حيث يُسخن ويُصهر داخلها، ثم يُطلى بشكل انتقائي على طاولة العمل، ويُبرد بسرعة لتشكيل طبقة ذات شكل مقطع عرضي، وتتراكم هذه الطبقات لتُنتج في النهاية نموذجًا أوليًا سريعًا. يُمكن استخدام مبدأ عملية التشكيل هذه لصنع قوالب شمعية للصب الدقيق وقوالب أنثوية للصب. إنها طريقة فعالة لتطوير التصنيع الميكانيكي الدقيق.

الفرص والتحديات

يركز قطاع الطباعة ثلاثية الأبعاد حاليًا على مجالات الطيران والفضاء، والسيارات، والمعدات الطبية، وغيرها، ويشهد نموًا متواصلًا وتطورًا تقنيًا مستمرًا. وقد ساهم الدعم الحكومي، بما في ذلك الاستثمارات الضخمة في البحث والتطوير، ومنح الابتكار، والسياسات التفضيلية، في تعزيز نمو هذا القطاع. في الوقت نفسه، يواجه قطاع الطباعة ثلاثية الأبعاد العديد من التحديات، مثل قيود المواد والميكانيكا والتكاليف. يقع قطاع التصنيع الإضافي عند مفترق طرق الابتكار والتحول الاقتصادي، ويحمل المستقبل أمامه فرصًا وتحدياتٍ جمة.