مستقبل الطباعة ثلاثية الأبعاد: الاتجاهات التي تشكل الصناعة

الاتجاهات في تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد

(1) جانب البيانات

تُعد تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد عملية تصنيع تعتمد على التصنيع الرقمي، وتنعكس اتجاهات تطوير بياناتها في مجالين:
أولاً، تطور أساليب وضع الطبقات. تحدد تقنيات الطبقات الرقمية المبكرة وتخطيط المسار بشكل مباشر كفاءة ودقة الطبقات المادية اللاحقة.

في الوقت الحالي، تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد في المقام الأول التقطيع المستوي البسيط، ولكن جامعات مثل جامعة دايتون وجامعة ستانفورد أجرت أبحاثًا حول معالجة البيانات مع التركيز على طرق التقطيع الطبقي، في محاولة للانتقال من التقطيع المستوي التقليدي ثنائي الأبعاد إلى التقطيع السطحي المنحني المطابق.

في الصين، أُدرجت هذه الخطة البحثية ضمن "المشاريع الخاصة الرئيسية لوزارة العلوم والتكنولوجيا في الصين بشأن التصنيع الإضافي والتصنيع بالليزر" في عام 2018.

ثانيًا، تنويع مصادر البيانات. يمكن الحصول على النماذج ثلاثية الأبعاد للطباعة من خلال النمذجة ثلاثية الأبعاد أو طرق الهندسة العكسية، حتى باستخدام البيانات من الأشعة المقطعية والكاميرات الرقمية لإعادة بناء النماذج، والتي يتم استخدامها بشكل متزايد في الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، هناك بعض التشويه في البيانات، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث.

(2) الجانب المادي

يعتمد تقدم الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل متزايد على تطوير المواد، مع وجود اتجاهين مهمين:
أولاً، مواد هندسة الأنسجة. استنادًا إلى المواد الحيوية المحملة بالأوعية الدموية والخلايا، فإن بناء الأنسجة والأعضاء الحية هو الاتجاه الأكثر أهمية لتطوير المواد في الطباعة ثلاثية الأبعاد ومجال التطبيق الأكثر توقعًا.

ثانياً، المواد الوظيفية الخاصة. إن المواد ذات الخصائص الكهربائية والمغناطيسية الخاصة، مثل الموصلات الفائقة ووسائط التخزين المغناطيسية، وكذلك المواد الوظيفية المتدرجة، هي أيضًا محور البحث والتطوير في مجال المواد في الطباعة ثلاثية الأبعاد وتمثل التطبيقات المتطورة في المجال الصناعي.

(3) الجانب الهيكلي

كما أن البنية الميكانيكية للطابعات ثلاثية الأبعاد ضرورية أيضًا، حيث تحدد الدقة والكفاءة ونطاق التطبيقات، مع وجود اتجاهين مهمين للتطوير:
أولاً، زيادة الحجم. لطالما كانت محدودية حجم الطباعة نقطة ضعف في معدات الطباعة ثلاثية الأبعاد.

يمكن أن تؤدي زيادة حجم الهيكل الميكانيكي للطابعات ثلاثية الأبعاد، مع الحفاظ على الدقة، إلى تعزيز قدرة التصنيع الإجمالية، وتجنب تجزئة النماذج لتحسين كفاءة الطباعة، وتوسيع مجال التطبيق بشكل كبير. يكشف تحليل خطوط إنتاج الشركات الكبرى في السنوات الأخيرة عن اتجاه نحو أحجام تصنيع أكبر.

يُظهر المزيد من التحقيق أن الحد الأقصى لحجم الطباعة لأنواع مختلفة من الطابعات ثلاثية الأبعاد من هذه الشركات يقتصر على متر واحد. تحاول بعض الشركات في الصين تطوير طابعات كبيرة الحجم، وقد شهدت بالفعل استجابات إيجابية في السوق.

ثانيًا، التكامل مع طرق التصنيع التقليدية. ويشمل ذلك التكامل الفعال والمتعمق مع الطرق التقليدية مثل التشكيل والصب والتشكيل والتشكيل الكهروكيميائي والتصنيع الآلي الدقيق الكهروكيميائي.

وقد تضمنت "المشاريع الخاصة الرئيسية لوزارة العلوم والتكنولوجيا في مجال التصنيع الإضافي والتصنيع بالليزر" في عام 2018 مثل هذه المشاريع البحثية، بهدف تعزيز التنمية التمكينية للطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة التصنيع التقليدية وتوسيع تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد نفسها.

(4) نماذج التصنيع

أولاً، ظهور نماذج "التصنيع الموزع". مع ازدياد فعالية الطباعة ثلاثية الأبعاد من حيث التكلفة وسهولة الوصول إليها من الناحية التكنولوجية، فإنها تتجه نحو الاعتماد على نطاق واسع، مع إمكانية امتلاك كل أسرة لطابعة ثلاثية الأبعاد واستخدامها، مما يجعلها أداة ومنصة للابتكار الاجتماعي والتمويل الجماعي والتعهيد الجماعي. وهذا يؤدي إلى شكل جديد من أشكال السلوك الاجتماعي وظهور "التصنيع الموزع".

في جوهره، يعيد التصنيع الموزع تصور عملية الإنتاج بأكملها، مما يغير بشكل عميق سلسلة العرض والطلب، بما في ذلك أنماط المستهلكين.

ثانياً، بدأت تظهر فلسفة تصميم "الوظيفة أولاً". فالتصنيع التقليدي، المقيد بتعقيد الأجزاء، يتطلب من المصممين مراعاة الجدوى والتكلفة. ومع ذلك، يمكن أن يتجاهل تصميم الطباعة ثلاثية الأبعاد تعقيد المنتج ويركز فقط على الوظائف المطلوبة، مما يؤدي إلى إنشاء منتجات صناعية لم يكن من الممكن تصورها من قبل.

ومع تراكمها، ستُحدث ثورة في التصنيع، خاصةً بالنسبة للمكونات المعقدة والدقيقة في صناعات مثل صناعة الطيران وبناء السفن والسيارات.

تعمل فلسفة التصميم "الوظيفة أولاً" للطباعة ثلاثية الأبعاد على توسيع الإمكانيات الإبداعية والابتكارية لمصممي المنتجات، غير المقيدة بالعمليات التقليدية وموارد التصنيع، وتسعى إلى تحقيق إبداع لا حدود له في ظل نموذج "التصميم يساوي الإنتاج" و"التصميم يساوي المنتج".

ولذلك، يمكن استخدام التصاميم الهيكلية المثلى دون الاهتمام بمشكلات التصنيع الآلي، مما يحل تحديات التصنيع للمكونات الدقيقة والمعقدة والمتطورة. ونظراً للتكامل العالي بين التصميم الرقمي والتصنيع والتحليل في الطباعة ثلاثية الأبعاد، فإن هذه الفلسفة تقلل أيضاً من دورة تطوير المنتجات الجديدة بشكل كبير وتقلل من تكاليف البحث والتطوير، مما يتيح "التصميم اليوم والمنتج غداً".

ثالثًا، يتم تعزيز "التصنيع الجزئي والنانو" بشكل كبير. مع توسع تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد من التصنيع الكلي إلى التصنيع الدقيق والنانو، سيلعب هذا النوع من التصنيع دورًا مهمًا. في الوقت الحالي، تتطلب العمليات الإلكترونية الدقيقة المستخدمة في صنع أجهزة الاستشعار إنتاج قوالب ومعالجة الرقائق، مما يعني استثمار مليارات، إن لم يكن عشرات المليارات، من الدولارات لخط إنتاج.

بالنسبة لأجهزة الاستشعار المخصصة التي لا تحتاج سوى بضع مئات من الوحدات، فإن مثل هذا الاستثمار الضخم مقدمًا يجعل الإنتاج على نطاق صغير غير ممكن. يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن تلبي متطلبات مثل هذا التصنيع الدقيق والنانو بشكل كامل. وقد طور باحثون في جامعة ويسترن في كندا جهازاً قابلاً للزرع يراقب حالة قلب المريض، تم تصنيعه باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

يدمج هذا النظام اللاسلكي القابل للزرع جهاز استشعار ضغط الدم وجهاز مراقبة ضغط القلب والأوعية الدموية (بما في ذلك دعامة)، بحجم 2.475 سم مكعب فقط ووزن يزيد قليلاً عن 4 غرامات.

(5) التطور الذاتي

ستتطور الطباعة ثلاثية الأبعاد في المستقبل إلى الطباعة رباعية الأبعاد وخماسية الأبعاد. وبناءً على الطباعة ثلاثية الأبعاد، تأخذ هذه الطرق في الاعتبار التغييرات مع مرور الوقت، مما يسمح للنماذج بتغيير الشكل والوظيفة تدريجيًا، مما يؤدي إلى ما يُعرف بالطباعة رباعية الأبعاد وخماسية الأبعاد.

أولاً، تسمح الطباعة رباعية الأبعاد للنماذج المطبوعة بتغيير شكلها بمرور الوقت. عادة، قد يكون النموذج مسطحًا عند الطباعة ولكنه سيتشوه تدريجيًا تحت تأثير درجة الحرارة والمجالات المغناطيسية والعوامل البيئية الأخرى. تشمل المزايا تبسيط عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد ودمج النماذج المطبوعة بسهولة في الأجهزة.

ثانياً، تمكّن الطباعة خماسية الأبعاد النماذج من تغيير وظيفتها وشكلها بمرور الوقت بعد طباعتها. وقد نجحت بالفعل التجارب على العظام المطبوعة بتقنية الطباعة خماسية الأبعاد على الحيوانات. إذا نضجت هذه التقنية وانتشرت على نطاق واسع، فسيكون تأثيرها المجتمعي أكبر بكثير من تأثير التصنيع الذكي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد أو الطباعة رباعية الأبعاد.

(6) آفاق التطبيق

من الواضح أن الطباعة ثلاثية الأبعاد تنطوي على إمكانات أكبر للتطبيقات التي يتم تخصيصها بالكامل أو إنتاجها على دفعات صغيرة.

أولاً، مجال الطب الحيوي هو مثال رئيسي للتطبيقات الشخصية. ففي عام 2016، سلط التوجيه المتعلق بتعزيز التنمية الصحية لصناعة الأدوية الصادر عن المكتب العام لمجلس الدولة الضوء على الحاجة إلى تعزيز تطبيق تقنيات الطباعة الحيوية وشرائح البيانات في المنتجات القابلة للزرع.

شددت "الخطة الخمسية الثالثة عشرة" لتنمية الصناعات الوطنية الاستراتيجية الناشئة التي أصدرها مجلس الدولة على استخدام التصنيع المضاف (الطباعة ثلاثية الأبعاد) وغيرها من التقنيات الجديدة لتسريع الابتكار والتصنيع في مجال إصلاح الأنسجة والأعضاء، وكذلك في الأجهزة الطبية القابلة للزرع.

في 9 فبراير/شباط 2021، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات مسودة خطة تطوير صناعة المعدات الطبية (2021-2025)، والتي تشجع على تطوير منتجات جديدة "الطباعة ثلاثية الأبعاد + الصحة الطبية". وتدعو الخطة إلى النهوض بالتخصيص الشخصي في الأجهزة الطبية، ومعدات إعادة التأهيل، والزرع، وإصلاح الأنسجة الرخوة، وتؤكد على تطبيق تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد في مختلف القطاعات.

وتدعو الخطة أيضًا إلى تطبيق المواد المتقدمة وتقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد لتعزيز التوافق الحيوي والخصائص الميكانيكية لمنتجات مثل الدعامات الوعائية وزراعة العظام وزراعة الأسنان.

وهو يدعم التعاون عبر القطاعات، ودمج المعدات الطبية التقليدية مع التقنيات الجديدة مثل الجيل الخامس والذكاء الاصطناعي والإنترنت الصناعي والحوسبة السحابية والطباعة ثلاثية الأبعاد لتعزيز تطوير المعدات الطبية الذكية الأصلية وتعزيز الخدمات السحابية الطبية والصحية الذكية.

وهذا يدل على أنه من منظور السياسة الوطنية، فإن "الطباعة ثلاثية الأبعاد + الطبية" موضوع بحثي ساخن في السنوات الأخيرة، ويحظى باهتمام ودعم كبيرين، ويظهر إمكانات تنموية هائلة. كما أنه يعكس التزام الصين بصحة ورفاهية شعبها.

ثانيًا، يمثل الفضاء الجوي إنتاجًا على دفعات صغيرة. عادةً ما يتم إنتاج المكونات الفضائية الجوية بكميات أقل من المنتجات التجارية، وتميل إلى أن تكون ذات هياكل معقدة مصنوعة من سبائك عالية القوة وصعبة المعالجة ومكلفة.

ومن الواضح أن الطباعة ثلاثية الأبعاد تستعد لإحداث تأثير كبير في هذا القطاع. وعلى الصعيدين المحلي والدولي، هناك توقعات كبيرة للطباعة ثلاثية الأبعاد في هذين المجالين على حد سواء، كما هو واضح في خطة أبحاث "المشاريع الخاصة الرئيسية في مجال التصنيع المضاف والتصنيع بالليزر" التي تم تنفيذها خلال فترة "الخطة الخمسية الثالثة عشرة".

(7) العلوم الأساسية

من الواضح أنه استنادًا إلى المبادئ الأساسية للتصنيع المضاف، تواصل الأبحاث النظرية التأسيسية دفع عجلة تطوير تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد. وتحظى المجالات العلمية الخمسة التالية تدريجياً باهتمام واسع النطاق من العلماء على الصعيدين المحلي والدولي.

الأول هو دراسة التصلب القوي غير المتوازن في تشكيل المعادن. يكون وقت التفاعل بين المادة ومصدر الطاقة قصيرًا للغاية أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يؤدي إلى دورات ذوبان وتصلب فورية.

بالنسبة للمواد المعدنية، لا يمكن تفسير آليات التصلب غير المتوازنة هذه بشكل كامل من خلال نظريات التصلب التقليدية في حالة التوازن، ومن ثم فإن وضع نظرية تصلب المعادن في ظل ظروف عدم التوازن القوية هي مسألة علمية مهمة يجب معالجتها في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد.

ثانيًا تطوير آليات جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد في ظل الظروف القاسية. ومع استمرار تزايد حاجة البشرية الملحة لاستكشاف الفضاء الخارجي، يتزايد تطبيق تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجال استكشاف الفضاء.

حتى أن هناك رغبة في تحقيق الطباعة ثلاثية الأبعاد في الموقع في الفضاء الخارجي، مما يجعل دراسة آليات الطباعة ثلاثية الأبعاد في مثل هذه الظروف القاسية وعمر المكونات وآليات فشلها في بيئات الخدمة هذه ذات أهمية خاصة.

ثالثًا آلية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد والهياكل المتدرجة. الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية تصنيع تدمج بين الهيكل والوظيفة، مما يسمح بتغييرات متدرجة مستمرة في تركيبة المادة والجمع بين هياكل متعددة داخل نفس المكوّن. يشكل تحقيق مثل هذه التصاميم تحديات لميكانيكا المواد والميكانيكا الهيكلية.

رابعاً، الطباعة ثلاثية الأبعاد المخصصة للأنسجة والأعضاء ومبادئ التجديد الوظيفي. سواء كان الأمر يتعلق بالحفاظ على حيوية الكيانات الحية أثناء عملية التصنيع أو دراسة آليات إعادة إنشاء وظائف الأعضاء أثناء استخدامها، فإن هذه الأبحاث لا تزال في بداياتها وتتطلب جهودًا جماعية من الخبراء والعلماء في تخصصات ومجالات متعددة.

خامساً، آليات التحكم في الطباعة ثلاثية الأبعاد المتكاملة التي تتحكم في الشكل والخصائص. تنتقل الطباعة ثلاثية الأبعاد من التصنيع المتحكم في الشكل إلى التصنيع المتكامل المتحكم في الشكل والخصائص. على سبيل المثال، في طباعة الأجزاء المعدنية، لا يمكن طباعة شكل الأجزاء فحسب، بل يمكن التحكم في الهياكل الداخلية المعقدة بدقة وقوة عاليتين، تقترب أو تتجاوز الأجزاء المطروقة.

في المستقبل، يمكن أن تؤدي طباعة الشفرات لمحركات الطائرات إلى تشكيل بلورات عمودية يتم تكديسها في اتجاه محدد مسبقًا من قبل المصممين، مما يؤدي في النهاية إلى منتج نهائي بأداء عام متفوق مقارنةً بالتشكيل.

وباختصار، من المقرر أن يشهد الدور المستقبلي للطباعة ثلاثية الأبعاد تغيرات كبيرة في المستقبل، حيث ستتحول من شكل تكميلي في التصنيع إلى العمود الفقري للتصنيع الذكي. وسوف يعيد تعريف عمليات التصنيع، مما يدفع المتخصصين إلى إعادة تقييم الممارسات الحالية في هذا المجال بعقلية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

على الرغم من أن حجم الأجزاء التي تنتجها الطباعة ثلاثية الأبعاد قد لا يضاهي حجم الأجزاء التي تنتجها الطباعة ثلاثية الأبعاد، إلا أن القيمة التي تخلقها قد تفوق بكثير هذه الطرق التقليدية. لذلك، فإن اتجاه الطباعة ثلاثية الأبعاد وآفاق تطبيقها واعدة للغاية.