فهم الطباعة ثلاثية الأبعاد: العملية والميزات الرئيسية

لمحة عامة

باستخدام مواد المسحوق للطباعة ثلاثية الأبعاد، تعتبر عملية SLS المذكورة أعلاه مكلفة نسبيًا بسبب استخدام الليزر. ومع ذلك، فإن استخدام عامل الربط لالتصاق جزيئات المسحوق وبناء طبقات لتشكيل الأشكال هو أمر سليم من الناحية النظرية. في 20 أبريل 1993، حصل البروفيسور إيمانويل ساكس وفريقه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على براءة اختراع أمريكية عن "تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد" المعروفة باسم 3DP.

كان الاختراع مستوحى من الطابعات النافثة للحبر المنتشرة على نطاق واسع في ذلك الوقت، حيث تم استبدال الحبر الموجود في الخراطيش بعامل ربط سائل. ومن خلال بثق هذه المادة الرابطة على طبقة من المسحوق السائب برأس الطباعة، يمكن طباعة أجسام ثلاثية الأبعاد. وبالمثل، من خلال استخدام مواد الربط الملونة الأساسية ومطابقة الألوان الرقمية الدقيقة، أمكن تحقيق الطباعة الملونة على المسحوق، على غرار الطباعة الملونة النافثة للحبر على الورق.

تشبه عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه إلى حد كبير الطابعات التقليدية، وعنوان براءة الاختراع "الطباعة ثلاثية الأبعاد" واضح وسهل الفهم. قبل ذلك، كانت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تُعرف باسم النماذج الأولية السريعة. ومنذ ذلك الحين، اكتسب مصطلح "الطباعة ثلاثية الأبعاد" شعبية كبيرة، وأصبح يشار إلى جميع تقنيات النماذج الأولية السريعة باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد، مع تسمية الأجهزة نفسها بالطابعات ثلاثية الأبعاد.

في عام 2012، عرّفت الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (ASTM) عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه باسم "النفث الموثق" في معيار مصطلحات التصنيع المضاف (ASTM F2792-12a).

من الناحية النظرية، يمكن استخدام عملية النفث بالمادة الرابطة لطباعة مواد مسحوق مختلفة ثلاثية الأبعاد مثل السيراميك والمعادن والجبس والبلاستيك والرمل. في عام 1995، تأسست شركة Z Corporation بترخيص من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، مع التركيز على تسويق عملية النفث الموثق بمسحوق الجبس.

ومنذ عام 1997، قدمت الشركة سلسلة من طابعات النفث الملون، بما في ذلك طابعة ZPrinter 310 Plus أحادية اللون للمبتدئين، وفي عام 2005، أول طابعة ثلاثية الأبعاد ملونة في العالم، وهي Spectrum Z510، كما هو موضح في الشكل 5-31 مع الطابعة الملونة ونماذجها المطبوعة. وكان ذلك بمثابة خطوة مهمة في تطور الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما جعلها نابضة بالحياة وملونة. في عام 2012، استحوذت شركة 3D Systems على شركة Z Corporation، التي طورت سلسلة الطابعات الملونة النفاثة.

يوضح الجدول 5-1 مواصفات سلسلة Color-Jet المباعة حاليًا على موقع 3D Systems على الويب في الجدول 5-1.

الجدول 5-1: المواصفات الرسمية لشركة 3D Systems لطابعات سلسلة Color-Jet من طابعات 3D Systems.

في عام 1996، حصلت شركة Extrude Hone Corporation على ترخيص من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لإجراء الأبحاث وتسويق مواد المسحوق المعدني المشكّلة بواسطة النفث المجلّد، حيث قدمت أول جهاز نفث مسحوق معدني مجلد في العالم وهو ProMetal RTS-300 في عام 1997.

في عام 2003، انبثقت شركة ExOne من شركة Extrude Hone، وركزت فقط على صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد، وأطلقت فيما بعد أول طابعة ثلاثية الأبعاد من الحجر الرملي في العالم، وهي S15. ومنذ ذلك الحين، تخصصت شركة ExOne في النفث الموثق للمواد المعدنية والحجر الرملي، وأصبحت تدريجيًا رائدة في تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد. يوضح الشكل 5-32 طابعة ExOne Innovent+ وبعض النماذج المعدنية التي طبعتها الشركة.

كما حصلت شركة Voxeljet الألمانية التي تأسست في عام 1999 على ترخيص من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وخصصت لتطوير طابعات رملية ثلاثية الأبعاد لصب القوالب. وتستخدم الشركة تقنية النفث الرابط لطباعة القوالب الرملية لاستخدامها في عمليات صب المعادن التقليدية.

في السنوات الأخيرة، حظيت تكنولوجيا النفث الغلافي باهتمام متزايد داخل الصين، حيث تتصدر شركات مثل شركة ووهان ييتشي للتكنولوجيا المحدودة، وشركة أيسيكاي للتكنولوجيا المحدودة، وشركة قوانغدونغ فنغهوا تشولي للتكنولوجيا المحدودة، ومجموعة نينغشيا شيرينغ.

بالإضافة إلى ذلك، يجري فريق من جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا أبحاثًا في تكنولوجيا نفث المواد الرابطة منذ عام 2012، مع التركيز في البداية على الطباعة باستخدام الجبس والبوليمرات ورمل الصب، ويركز حاليًا على تكنولوجيا نفث المواد الرابطة المعدنية. في عام 2017، وبالتعاون مع شركة ووهان ييتشي للتكنولوجيا المحدودة، قدموا طابعة نفث المواد المعدنية الموثقة القادرة على الطباعة بمواد مثل فولاذ 316L المقاوم للصدأ، 420 من الفولاذ المقاوم للصدأ، والنحاس، وسبائك التيتانيوم.

فيما يلي جدول مقارن للتفاصيل الفنية لبعض الشركات المحلية والدولية التي تطور تكنولوجيا النفث في مادة رابطة المعادن.

الجدول 5-2: رسم بياني مقارن للتفاصيل التقنية لتقنيات تشكيل الرذاذ اللاصق المعدني من شركات بحث وتطوير محلية ودولية مختارة

العملية والخصائص

(1) العملية

وبمراجعة الرسم التخطيطي الملخص لبراءة اختراع البروفيسور إيمانويل ساكس في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، كما هو مبين في الشكل 5-33، تظهر المعلومات الأساسية: "...إنتاج طبقة من مادة المسحوق المترابطة..." تشير إلى إنشاء طبقة من مادة المسحوق المترابطة من خلال عملية تراكم طبقة تلو الأخرى باستخدام مادة المسحوق.

السؤال الذي يطرح نفسه هو كيف يتم تشكيل المسحوق: "... ترسيب مادة رابطة..." تشير إلى أنه بدلاً من استخدام الليزر، يتم توزيع مادة رابطة في مناطق محددة من كل طبقة، مما يؤدي إلى ربط المسحوق في الشكل. ويشير الملخص أيضًا إلى أنه يمكن معالجة المادة "... بمزيد من المعالجة عن طريق التسخين على سبيل المثال..." لتعزيز القوة.

يوضح الشكل 5-34 عملية 3DP، مفصلة على النحو التالي:

① إعداد البيانات. الحصول على نموذج ثلاثي الأبعاد للجزء ومعالجته إلى شرائح ثنائية الأبعاد.

② وضع المسحوق. يتم تخزين المسحوق إما في قادوس أو أسطوانة تغذية، مع وجود طريقتين للتطبيق: يطلق القادوس كمية معينة من المسحوق على سرير المسحوق من أعلى، والمعروفة باسم طريقة التغذية، بينما توزع أسطوانة التغذية كمية محددة مسبقًا من المسحوق عن طريق رفع مكبس التغذية إلى ارتفاع معين، والمعروفة باسم طريقة وضع المسحوق، كما هو موضح في الشكل 5-34 (أ) و(ب).

ثم تقوم الأسطوانة بعد ذلك بنشر المسحوق وضغطه عبر منطقة التشكيل لسرير المسحوق.

③ حركة ثنائية الأبعاد. يتم التحكم في رأس الطباعة، المحمل بمادة رابطة بواسطة ملف الأوامر للتحرك في الاتجاهين X وY، ورش المادة الرابطة لربط المسحوق بالشكل. تظل المناطق التي لم يتم رشها فضفاضة وتوفر الدعم للطبقات اللاحقة (لطباعة النماذج الملونة، يتم استخدام ثلاث مواد رابطة ملونة أساسية).

④ حركة الاتجاه Z. ينحدر سرير المسحوق طبقة واحدة في الاتجاه Z، ويتم تجديد منطقة التشكيل بطبقة جديدة من المسحوق، وتظل طبقة المسحوق مستوية.

⑤ الترابط بين الطبقات. يتحرك رأس الطباعة تحت أوامر X وY الجديدة، ويقوم برش المادة الرابطة لربط الطبقة الحالية من المسحوق بالشكل مع التصاقها بالطبقة التي فوقها، مما يحقق الترابط بين الطبقات.

⑥ كرر العملية المذكورة أعلاه حتى يتم الحصول على الجزء النهائي ثلاثي الأبعاد.

ويمكن إعادة تدوير مادة المسحوق غير المستخدمة من الطباعة ثلاثية الأبعاد، التي لم يتم تسخينها أو تعريضها للإشعاع بالليزر، لإعادة استخدامها بالكامل، مما يحقق نظرياً معدل استخدام للمواد يبلغ 100%. بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد، تتطلب الأجزاء مزيدًا من المعالجة اللاحقة، وعادةً ما تتضمن ثلاث خطوات:

إزالة المسحوق الزائد.

نظرًا لأن الأجزاء تكون مدفونة بالكامل في المسحوق، فمن الضروري إزالة المسحوق المتبقي على سطح الجزء داخل صندوق القفازات باستخدام الفرش ومسدسات الهواء وما إلى ذلك، لإعادة تدويره وإعادة استخدامه في الطباعة اللاحقة.

تعزيز القوة.

غالبًا ما تحتوي الأجزاء المطبوعة بالطباعة ثلاثية الأبعاد على العديد من المسام وتكون ضعيفة نسبيًا، مما يستلزم معالجة لاحقة للتقوية. بالنسبة للأجزاء المطبوعة بمواد مسحوق غير عضوي مثل الجبس، يتم اختيار مواد ترشّح مختلفة للمعالجة الفورية بناءً على الاستخدام المقصود لاختراق الأجزاء.

على سبيل المثال، يمكن للمواد المتسللة المناسبة للنماذج الملونة تحسين القوة واللون وثبات اللون؛ ويمكن للمواد المتسللة الثنائية للنماذج الوظيفية أن تعزز قوة النموذج بشكل كبير؛ ويمكن استخدام المواد المتسللة الصديقة للبيئة للتشريب أو الرش لتعزيز صلابة السطح ومعامله.

تتطلب الأجزاء المعدنية المطبوعة بالمسحوق المعدني عمومًا خطوات إضافية بعد المعالجة مثل إزالة الشحوم أو التلبيد بدرجة حرارة عالية أو الضغط المتساوي الحرارة أو الترشيح أو التشريب بالنحاس لزيادة قوة الجزء وكثافته.

تشطيب السطح.

وعادةً ما يتم استخدام مزيج من السفع الرملي والتلميع والطلاء والتشغيل الآلي لزيادة تحسين جودة ودقة سطح الجزء، بالإضافة إلى نعومته ولونه.

(2) خصائص العملية

تتميز عملية 3DP بخمس مزايا ملحوظة:

إمكانية الطباعة بالألوان الكاملة.

يمكن لـ 3DP تحقيق الطباعة بالألوان الكاملة، والتعبير بشكل مثالي عن إبداع تصميم المنتج بالألوان، وتستخدم على نطاق واسع في الإبداع الثقافي والأفلام والرسوم المتحركة وغيرها من المجالات.

مجموعة واسعة من المواد والأجزاء الوظيفية المعدنية.

يمكن لعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد الطباعة باستخدام أي مادة مسحوق تقريبًا، بما في ذلك المساحيق المعدنية، مما يوسع نطاق تطبيقاتها الوظيفية بشكل كبير.

لا حاجة للدعامات.

يعمل المسحوق غير المربوط كدعم طبيعي، مما يلغي الحاجة إلى دعامات إضافية مساعدة، مما يعني كفاءة طباعة عالية وتكاليف مواد منخفضة أثناء عملية الطباعة.

مناسبة لتصنيع الهياكل المعقدة.

لا تفرض عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد أي قيود تقريبًا على مدى تعقيد الأجزاء، مما يسمح بإنتاج مختلف الأشكال المعقدة مثل الأجزاء المسامية والأجزاء المجوفة والأجزاء المتداخلة. وهي مناسبة لتطوير المنتجات الجديدة أو لإنتاج أجزاء فردية وصغيرة الحجم.

لا حاجة لليزر، وتكلفة منخفضة.

من ناحية، لا تستخدم عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد الليزر، مما يقلل من تكاليف تشغيل المعدات وصيانتها؛ ومن ناحية أخرى، يمكن لرؤوس النفث المجلدة إجراء مسح مصفوف بدلاً من المسح النقطي بالليزر، مما يؤدي إلى كفاءة طباعة عالية وتكلفة منخفضة.

ومع ذلك، فإن عملية 3DP لها أيضًا بعض القيود والعيوب، على النحو التالي:

ضعف الخواص الميكانيكية للأجزاء.

تكون القوة والصلابة منخفضة نسبيًا، وعادةً ما تكون مناسبة فقط لعروض العينات أو قوالب الصب (مثل القوالب الرملية). الاختبار الوظيفي غير قابل للتطبيق، وتتطلب الأجزاء المطبوعة المعدنية مزيدًا من التلبيد والتسلل النحاسي في فرن التلبيد لتحقيق القوة والكثافة النهائية.

انخفاض جودة السطح.

نظرًا لأن الأجزاء يتم تشكيلها عن طريق تجليد المسحوق، فإن السطح له نسيج محبب معين، مما يجعل من الصعب تحقيق نعومة الأجزاء المطبوعة بتقنيات البلمرة الضوئية.

تخزين المواد السائبة غير الفعال.

نظرًا لاستخدام تخزين قاع المسحوق وبالنظر إلى النشاط السطحي لمواد المسحوق، فإن تخزين المواد السائبة كبير وصعب. وعلى الرغم من أن آلية تغذية القادوس تتغلب إلى حد ما على مشكلات التخزين، إلا أنها لا تغير المبدأ الأساسي لتخزين قاع المسحوق.