تخيل إنشاء أي شيء تريده، طبقة تلو الأخرى، مباشرة على مكتبك. مرحباً بك في عالم الطباعة ثلاثية الأبعاد! تقوم هذه التقنية الثورية، والمعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي، ببناء الأجسام عن طريق إضافة المواد طبقة تلو الأخرى، متجاوزةً بذلك الطرق التقليدية المتمثلة في القطع من كتلة صلبة. في هذه المقالة، سوف تستكشف كيفية عمل الطباعة ثلاثية الأبعاد، وأساليبها المختلفة، وتطبيقاتها المذهلة في مجالات مثل الفضاء والطب والتصنيع. استعد لاكتشاف كيف تغير الطباعة ثلاثية الأبعاد مستقبل الإنتاج والتصميم.
التصنيع الإضافي (AM)، والمعروف باسم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، هي تقنية نماذج أولية سريعة تختلف عن التصنيع التقليدي لاختزال المواد.
من خلال المسح الرقمي ثلاثي الأبعاد ومعالجة الطبقات للنموذج، بمساعدة معدات تصنيع رقمية مشابهة للطابعات، يتم تركيب المواد بشكل مستمر لتشكيل النموذج المجسم المطلوب.
مخطط تدفق التصنيع المضاف:
تم تطوير تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لأول مرة من قبل تشارلز هال في عام 1986 في عملية تسمى الطباعة المجسمة (SLA)، ثم طورت تقنيات مثل التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)، والذوبان الانتقائي بالليزر (SLM)، وتقنية الربط النفاث الدقيق (3DP).
منذ دخول القرن الحادي والعشرين، حققت تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد اختراقات جديدة وتطورًا كبيرًا، وظهرت العديد من التقنيات الصغيرة التي تلبي احتياجات صناعات محددة تحت التقسيم الفرعي للتقنيات الكبيرة.
على سبيل المثال، تقنية SLA: المعالجة الضوئية الرقمية (DLP)، تقنية النفاثات المتعددة (Ployjet)، تقنية SLM: المعالجة الضوئية الرقمية (DLP)، تقنية SLM: مباشرة ليزر معدني التلبيد (DMLS).
في الوقت الحاضر، تم استخدامه على نطاق واسع في مجال الطيران والمعدات الطبية والبناء والسيارات والطاقة وتصميم المجوهرات وغيرها من المجالات.
أدرجت مجلة Time التصنيع المضاف في قائمة "أسرع 10 صناعات نموًا في الولايات المتحدة".
وترى مجلة الإيكونوميست البريطانية أنها "ستعزز تحقيق الثورة الصناعية الثالثة مع أنماط الإنتاج الرقمية الأخرى"، وستغير أنماط الإنتاج والحياة المستقبلية، وستغير طريقة تصنيع السلع، وستغير النمط الاقتصادي العالمي، ومن ثم ستغير حياة الإنسان.
تحليل النظام التقني للثورات الصناعية السابقة
| الثورة الصناعية | الميزات | الأساس النظري | وحدة الطاقة/الطاقة | نموذج التصنيع | نموذج التصنيع |
| الثورة الصناعية الأولى (1750-1850) | المكننة | محرك بخاري | تصنيع مواد أصلية متساوية في الأصل وتصنيع مواد مخفضة | إنتاج ماكينة واحدة | |
| الثورة الصناعية الثانية (1850-1950) | الكهرباء | نظرية الاختزال الميكانيكي القائمة على اليقين والتوحيد القياسي | طاقة البتروكيماويات / محرك الاحتراق الداخلي، المحرك | التصنيع الحديث للمواد المخفضة والمتساوية | الإنتاج الضخم القائم على خط التجميع |
| الثورة الصناعية الثالثة (1950-2020) | الرقمنة | علم التحكم الآلي + نظرية النظام | الطاقة النفاثة، الطاقة النووية | التصنيع الحديث للمواد المخفضة والمتساوية | الإنتاج الآلي القائم على الحاسوب |
| الثورة الصناعية الرابعة (2020-2080?) | التثقيف | النظام + علم التحكم الآلي + نظرية المعلومات | الطاقة المتجددة / محطة الطاقة المتجددة القائمة على الاندماج النووي المتحكم فيه | تكامل العمليات على أساس التصنيع المضاف | المصنع الذكي القائم على الإنترنت الصناعي |
بالمقارنة مع تكنولوجيا التصنيع التقليدية (تصنيع المواد المخفضة)، لا تحتاج الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى صنع قوالب مسبقًا، وإزالة كمية كبيرة من المواد في عملية التصنيع، والحصول على المنتج النهائي دون عملية تزوير معقدة.
وهي تتميز بخصائص "إزالة القوالب وتقليل النفايات وتقليل المخزون".
في الإنتاج، يمكنها تحسين الهيكل، وتوفير المواد والطاقة، وتحسين كفاءة التصنيع بشكل كبير.
هذه التقنية قابلة للتطبيق في تطوير المنتجات الجديدة والقطعة الواحدة السريعة و أجزاء الدفعة الصغيرة التصنيع، وتصنيع الأجزاء ذات الأشكال المعقدة، وتصميم القوالب وتصنيعها، إلخ.
وفي الوقت نفسه، يمكن استخدامه أيضًا في تصنيع المواد التي يصعب معالجتها وفحص تصميم الشكل وفحص التجميع والهندسة العكسية السريعة.
وقت اختراع تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد والشركات الرئيسية
| جيش تحرير السودان | المخترع تشارلز هال (1984) الشركة المهيمنة أنظمة أمريكا ثلاثية الأبعاد، ليانتاي تكنولوجي |
| لوم | المخترع مايكل فيجين (1986) الشركة المهيمنة أمريكا هليزيسيس |
| FDM | المخترع سكوت كرامب (1988) الشركة المهيمنة أمريكا ستراتاسيس/أنظمة ثلاثية الأبعاد |
| SLS | المخترع: C.R. Dechard (1989) الشركة المهيمنة أمريكا 3DSystems، هواشو للتكنولوجيا العالية |
| 3DP | المخترع إيمانوال ساكس (1993) الشركة المهيمنة شركة Zcorporation الأمريكية |
| SLM | المخترع: ديتر شفارتسه (1995) الشركة المهيمنة الحل الألماني SLM Solution، بوليت |
| EBM | المخترع: Arcam AB (1997) الشركة المهيمنة السويد Arcam AB السويدية |
| بولي جيت 3 دي | المخترع أوبجيت (2000) الشركة المهيمنة أنظمة Israel3D |
تتضمن عملية التصنيع المضاف بشكل أساسي عمليتين: التصميم ثلاثي الأبعاد وطباعة الطبقات بطبقة.
أولاً، يتم استخدام برنامج النمذجة الحاسوبية للنمذجة، ثم يتم تقسيم النموذج ثلاثي الأبعاد المبني إلى أقسام طبقة بطبقة لتوجيه الطابعة لطباعة طبقة بطبقة.
تنسيق الملف القياسي للتعاون بين برنامج التصميم والطابعة هو تنسيق ملف STL.
يستخدم ملف STL الأسطح المثلثية لتقريب سطح الجسم.
كلما كان السطح المثلث أصغر، كلما زادت دقة السطح الناتج.
PLY عبارة عن ماسح ضوئي يقوم بمسح الملفات ثلاثية الأبعاد الناتجة عن المسح الضوئي.
غالبًا ما يتم استخدام ملفات VRML أو WRL التي تم إنشاؤها بواسطة PLY كملفات إدخال للطباعة بالألوان الكاملة.
تقوم الطابعة بقراءة معلومات المقاطع العرضية في المستند، وتطبع هذه المقاطع العرضية طبقة تلو الأخرى بمواد سائلة أو مسحوق أو مواد تشبه الصفائح، ثم تربط المقاطع العرضية لكل طبقة بطرق مختلفة لإنشاء كيان، والذي يمكن أن يخلق مواد بأي شكل.
مخطط عمل الطباعة لآلة التصنيع المضافة:
مبدأ عمل آلة التصنيع المضافة هو في الأساس نفس مبدأ عمل الطابعة العادية، ولكن مواد الطباعة مختلفة تمامًا.
مواد الطباعة في الطابعات العادية هي الحبر والورق، بينما تحتوي آلة التصنيع المضافة على "مواد طباعة" مختلفة مثل المعدن والسيراميك والبلاستيك والرمل.
بعد توصيل الطابعة بالكمبيوتر، يمكن تكديس المواد طبقة تلو الأخرى من خلال التحكم بالكمبيوتر (عملية المعالجة الطبقية تشبه إلى حد كبير الطباعة بنفث الحبر)، وأخيرًا يمكن تحويل المخطط الموجود على الكمبيوتر إلى جسم مادي.
آلة التصنيع المضافة هي نوع من المعدات التي يمكنها "طباعة" أجسام حقيقية ثلاثية الأبعاد.
يصنف معيار ISO / ASTM 52900:2015 الصادر عن لجنة تكنولوجيا التصنيع المضافة التابعة للمنظمة الدولية للتوحيد القياسي تكنولوجيا الإضافات إلى سبع فئات، وهي: الطباعة الليثوغرافية المجسمة (SLA)
ويتمثل المبدأ في أن المسحوق الصلب يتم تلبيد المسحوق الصلب بشكل انتقائي طبقة تلو الأخرى بواسطة الليزر (بالإضافة إلى المسحوق المعدني الرئيسي، يجب إضافة نسبة معينة من المسحوق الرابط ذي نقطة انصهار منخفضة، ويكون المسحوق الرابط عمومًا مسحوقًا معدنيًا ذا نقطة انصهار منخفضة أو راتنج عضوي، إلخ)، ويتم تركيب المسحوق الملبد على طبقة المسحوق المتصلب لتشكيل جزء في النهاية بالشكل المطلوب.
والجهاز الأساسي الذي تعتمد عليه هذه التقنية هو ليزر الأشعة تحت الحمراء، وبيئة عمل الطاقة هي جو الأرجون أو النيتروجين.
تتميز بمزايا عملية التصنيع البسيطة، وكفاءة الإنتاج العالية، والعديد من أنواع مواد التشكيل، ومعدل استخدام المواد العالي، والاستخدام الواسع للمنتجات النهائية، وعدم الحاجة إلى النظر في أنظمة الدعم.
العيب هو أنه بسبب عمل المادة اللاصقة، فإن الكيان يحتوي على مسام وخصائص ميكانيكية ضعيفة ويحتاج إلى إعادة صهر وإعادة معالجة في درجات حرارة عالية.
وبالإضافة إلى ذلك، عندما يتم تخزين المنتج لفترة طويلة، سيتعرض للتشوه بسبب إطلاق الإجهاد الداخليوجودة السطح متوسطة. تكلفة التشغيل مرتفعة وتكلفة المعدات باهظة الثمن.
ويكمن الفرق الرئيسي بين هذه التقنية وتقنية SLS في أن تقنية SLM تقوم بتسخين المسحوق المعدني مباشرةً من خلال الليزر، ولا تعتمد على المسحوق الرابط.
ويحقق المسحوق المعدني تأثير الترابط المعدني من خلال الصهر والتصلب، وأخيرًا الحصول على الأجزاء المعدنية بالهيكل المصمم.
من أجل صهر المعادن بشكل أفضل، تحتاج تقنية SLM إلى استخدام أشعة الليزر ذات الامتصاصية العالية للمعادن.
ولذلك، يتم استخدام أشعة الليزر ذات الأطوال الموجية الأقصر مثل ليزر Nd YAG (1.064 ميكرومتر) وليزر الألياف (1.09 ميكرومتر) بشكل عام.
وتتمثل الميزة في أن تقنية SLM تستخدم مسحوقًا معدنيًا نقيًا، ويمكن أن تصل كثافة الأجزاء المعدنية المشكلة إلى ما يقرب من 100%;
الخواص الميكانيكية مثل قوة الشد أفضل من المسبوكات، بل وتصل إلى مستوى المطروقات;
الكثافة والخصائص الميكانيكية ودقة التشكيل أفضل من SLS.
وهناك تقنية أخرى، وهي الصهر بالحزمة الإلكترونية الانتقائية (EBM)، وهي مشابهة لتقنية صهر المعادن بالحزمة الإلكترونية الانتقائية (SLM)، باستثناء أن تقنية الصهر بالحزمة الإلكترونية الانتقائية تستخدم الطاقة الحركية لحزمة الإلكترونات عالية السرعة لتحويلها إلى طاقة حرارية كمصدر حراري لصهر المعادن، وبيئة العمل هي الفراغ.
يمكن أن يؤدي استخدام شعاع الإلكترون كمصدر للحرارة إلى تحقيق درجة حرارة انصهار أعلى من الليزر، ويمكن تعديل طاقة الفرن وسرعة التسخين.
يمكنه صهر المعادن الحرارية وصهرها معادن مختلفة.
ومع ذلك، هناك أيضًا عيوب مثل انخفاض إنتاجية المعادن وارتفاع استهلاك الطاقة النوعية ومتطلبات التفريغ الصارمة.
يشبه مبدأ عمل هذه التقنية مبدأ عمل تقنية SLM.
يتم توليد التجمع المنصهر في منطقة الترسيب بواسطة الليزر أو مصادر الطاقة الأخرى ويتحرك بسرعة عالية.
يتم رش المادة مباشرة إلى بؤرة الليزر عالي الطاقة من خلال الفوهة على شكل مسحوق أو سلك.
بعد الذوبان، يتم ترسيبها طبقة تلو الأخرى لتشكيل الأجزاء المطلوبة.
بالمقارنة مع تقنية SLM، تتمتع هذه التقنية بالمزايا التالية:
أولاً، يسمح لـ رأس الليزر وقطعة العمل للتحرك بمرونة أكبر، وبالتالي زيادة حرية التصميم.
ثانيًا، أثناء تشغيل معدات DED، يتدفق الغاز الخامل مباشرة من رأس الليزر ويحيط بتدفق المسحوق والبركة المنصهرة.
لا يعتمد على غرفة الضغط المملوءة بغاز خامل.
يمكن أن تبدأ عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد على الفور، مما يقلل إلى حد كبير من وقت تحضير الإنتاج.
ثالثًا، يمكنها إنتاج أجزاء كبيرة بدون أي هيكل دعم.
أما العيب فهو أن عملية الصهر ليست دقيقة مثل SLM، وعادةً ما يتعين إعادة صياغة الأجزاء النهائية.
تشبه تقنية 3DP عملية SLS، ويتم تشكيلها بواسطة السيراميك ومسحوق الجبس.
يكمن الفرق في أن مسحوق المادة لا يتم توصيل مسحوق المادة عن طريق تلبيد المسحوق الصلب بالليزر، ولكن عن طريق رش مادة لاصقة شفافة أو ملونة على طول المسار المقطعي للجزء من خلال رأس الطباعة اللاصق وتصلب المسحوق.
يتم استخدام المسحوق في المواضع الأخرى كدعامة، ثم يتم وضع طبقة من المسحوق.
تتم إعادة تدوير العملية حتى تكتمل الطباعة.
الجهاز الأساسي الذي تعتمد عليه تقنية 3DP بشكل أساسي هو رأس الطباعة اللاصق، والذي يتميز بمزايا مجموعة واسعة من مواد التشكيل، واستهلاك صغير للطاقة وحجم صغير للمعدات.
ومع ذلك، فإن العيوب واضحة أيضًا.
تتميز الأجزاء الملتصقة بالمادة اللاصقة بقوة منخفضة وتتطلب معالجة لاحقة وتكون المنتجات رخوة ومسامية.
تشبه تقنية polyjet3D التي طورتها شركة objet الإسرائيلية تقنية 3DP، ولكنها ليست مادة لاصقة بل مادة صب بوليمر حساسة للضوء يتم رشها.
في الوقت الحاضر، أصبحت تقنية polyjet3D أهم ما يميز STRATASYS.
أولاً، يمكن خلط مجموعة متنوعة من المواد الأساسية خارج الماكينة، و مواد جديدة مع أداء أفضل يمكن الحصول عليه من خلال الدمج.
وثانيًا، يمكن أن تصل دقة المنتج إلى دقة 16 ميكرون، ويمكن الحصول على مكونات ونماذج سلسة ودقيقة للغاية.
وأخيرًا، تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع ويمكن تطبيقها على طباعة الأجزاء ذات الأشكال الهندسية والخصائص الميكانيكية والألوان المختلفة.
على سبيل المثال، تدعم تقنية المصفوفة متعددة النفاثات أيضًا الرش المتزامن للمواد ذات النماذج والألوان المتعددة.
ويتمثل مبدأ عملها في إرسال المواد الخام الخيطية (المواد البلاستيكية الحرارية بشكل عام) إلى فوهة الذوبان الساخن من خلال مغذي الأسلاك، ثم تسخينها وصهرها في الفوهة.
يتم بثق خيوط المواد البلاستيكية الحرارية المذابة من خلال الفوهة، ويتحرك رأس البثق بدقة على طول محيط كل جزء من الجزء.
يتم ترسيب مادة اللدائن الحرارية شبه المتدفقة المبثوقة شبه المتدفقة وتصلبها في طبقة رقيقة دقيقة من الأجزاء الفعلية، تغطي الأجزاء المبنية.
بهذه الطريقة، يتم تكديس نموذج أو جزء مجسّم طبقة تلو الأخرى من الأسفل إلى الأعلى.
وتعتمد هذه التقنية بشكل أساسي على فوهات دقيقة (قطرها بشكل عام 0.2-0.6 مم) وسخانات (للحفاظ على درجة حرارة مواد التشكيل شبه المتدفقة فوق درجة حرارة 1 درجة مئوية فقط فوق نقطة الانصهار).
مزاياها هي:
1. لا حاجة لمكونات باهظة الثمن مثل الليزر، منخفضة التكلفة وسريعة.
2. لا توجد قيود على بيئة الاستخدام. يمكن استخدامه في بيئة المكتب أو المنزل.
وهي سهلة الصيانة وصغيرة الحجم وخالية من التلوث.
3. المواد سهلة التغيير وتتمتع بقوة وصلابة عالية، مما يقلل إلى حد كبير من دورة تطوير المنتج، بحيث يمكنها الاستجابة بسرعة لتغيرات السوق وتلبية الاحتياجات الشخصية للعملاء.
ولكن هناك أيضًا عيوب مثل انخفاض دقة الأجزاء وصعوبة تشكيل المكونات المعقدة والأجزاء الكبيرة.
تأخذ هذه الطريقة الأوراق (مثل الورق أو الأفلام البلاستيكية) كمواد خام.
وفقًا للمقطع العرضي للجزء الذي تم الحصول عليه عن طريق المسح الضوئي بالكمبيوتر، يتم قطع الصفيحة المغلفة بمادة لاصقة تذوب بالحرارة على الظهر بواسطة القطع بالليزر وفقًا لمحيط الجزء.
بعد ذلك، يتم تراكب الصفيحة المقطوعة على الصفيحة المقطوعة، ويتم ربطها معًا بواسطة جهاز كبس ساخن، ثم يتم قطع المقطع العرضي للطبقة التالية من الجزء ولصقه لتشكيل جزء صلب.
تعتمد تقنية LOM بشكل أساسي على أداء المادة اللاصقة الذائبة بالحرارة، والتي تتميز بمزايا دعم النموذج الجيد، وسهولة تقشير النفايات، والحجم الكبير للأجزاء، والتكلفة المنخفضة والكفاءة العالية.
العيب هو أن قوة الشد والمرونة ضعيفة، ولا يمكن تصنيع الأجزاء المجوفة;
وفقًا لتأثير المواد، يسهل على الأجزاء المطبوعة بتقنية LOM امتصاص الرطوبة والتمدد، كما أن السطح يحتوي على خطوط متدرجة.
يتمثل مبدأ تقنية SLA في أنه تحت سيطرة الكمبيوتر، يتم مسح سطح الراتنج السائل الحساس للضوء نقطة بنقطة بواسطة الليزر فوق البنفسجي وفقًا للبيانات المقطعية لكل طبقة من الجزء، بحيث يتم معالجة الطبقة الرقيقة من الراتنج في المنطقة الممسوحة ضوئيًا عن طريق تفاعل البلمرة الضوئية، مما يشكل طبقة رقيقة من الجزء، والتي يتم معالجتها طبقة تلو الأخرى حتى يتم تصنيع الجزء بالكامل.
تعتمد هذه التقنية بشكل أساسي على ليزر الأشعة فوق البنفسجية والمواد الحساسة للضوء المناسبة.
فمن ناحية، يتم قولبة مادة الراتنج السائل ومعالجتها من نقطة إلى خط ومن خط إلى سطح، مما يؤدي إلى دقة أعلى وجودة سطح أفضل.
من ناحية أخرى، تحتوي مواد الراتنج نفسها على بعض العيوب، مثل محدودية القوة والصلابة ومقاومة الحرارة، والتي لا تساعد على التخزين طويل الأجل.
يحدث الانكماش أثناء عملية معالجة الراتنج، مما يولد حتمًا إجهادًا أو تشوهًا.
على الرغم من تطور تكنولوجيا جيش تحرير السودان في وقت سابق ونضجها نسبيًا في الوقت الحاضر، إلا أن تكاليف معدات جيش تحرير السودان لا تزال مرتفعة، وتكاليف الصيانة والاستخدام مرتفعة، كما أن الهيكل الداعم لقطعة العمل يحتاج إلى تصميم.
وفقًا للملخص أعلاه لطرق الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة في السوق، عادةً ما يكون لتقنيات التصنيع المضافة المختلفة اختلافات في المواد ومصادر الطاقة وطرق التشكيل.
يعتمد اختيار تقنية التصنيع المضاف على استخدام الأجزاء في الصناعات التحويلية.
تُستخدم تكنولوجيا تصنيع الإضافات المعدنية بشكل عام في مجال الفضاء، بينما تُستخدم تكنولوجيا تصنيع الإضافات غير المعدنية على نطاق أوسع، وتستخدم بشكل رئيسي في مجالات أخرى من تصميم العمليات الصناعية، مثل الأجهزة المنزلية للسيارات، والأجهزة الطبية، والسلع الثقافية والإبداعية، وما إلى ذلك.
مقارنة بين التصنيع المخفض للمواد وزيادة تصنيع المواد
| التباين | عملية التصنيع التقليدية | الطباعة ثلاثية الأبعاد |
| مبدأ المعالجة | تثبيت المواد الخام على المعدات واستخدام الأدوات لتقليل أو إزالة المواد الخام لتشكيلها. على سبيل المثال: الخراطة وقطع الحديد. أو تصميم القوالب ومواد الصب. | رقمنة النموذج المطبوع، وتقطيع النموذج إلى شرائح، وتكديس المواد طبقة تلو الأخرى، ومن الخيارات المتاحة التلبيد بالليزر والذوبان الانتقائي بالليزر. |
| المواد | تولد عملية القطع الكثير من المواد المهدرة، وتتلف قيمة المواد الفائضة غير المكتملة، ويكون معدل استخدام المواد منخفضًا. | إضافة المواد طبقة تلو الأخرى وفقًا لشكل شريحة النموذج. المواد المستهلكة عند الطلب، وتوفير المواد. |
| العفن | يستغرق تصميم القالب الكثير من الوقت، وهناك خطر فشل القالب وإعادة تصميمه الذي يستغرق وقتاً طويلاً | لا حاجة للأدوات التقليدية والتركيبات وأدوات الماكينات أو أي قالب وهيكل دعم، مما يوفر الوقت |
| هيكل الجزء | تعتمد عملية التصنيع التقليدية المتكاملة على توصيل البرغي والتثبيت. يحتوي هيكل الربط على العديد من الوصلات والعديد من الأجزاء والتجميع المعقد. | يتم تجميع الهيكل الكلي مباشرةً، مما يقلل من عدد الأجزاء، ويقلل من وزن الهيكل، ويقلل من الوصلات ويقلل من الوصلات ويوفر إحكامًا جيدًا. التجميع بسيط وكفاءة الإنتاج محسّنة. |
| أداء الجزء | من السهل تشويه الأجزاء وثنيها بعد إزالتها من الأداة. | القولبة المباشرة، لا يوجد تشوه في ثني الأجزاء |
| تصميم المنتج | تصميم توجيه التصنيع، وتصميم المنتج وفقًا لجدوى عملية القطع وصنع النموذج. | يسمح التصنيع الموجّه بالتصميم بالتصميم الجريء للسطح والتجويف دون النظر إلى صعوبة عملية القطع وصنع النموذج |
| إصلاح الجزء | إعادة قياس أبعاد التركيب وتصنيع أجزاء جديدة واستبدالها | إضافة مواد إلى الأجزاء التالفة لإصلاحها |
في الثمانينيات، بدأت تكنولوجيا التصنيع المضاف في النمو بشكل كبير في أوروبا والولايات المتحدة.
يمكن إرجاع تطبيق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى تقنية المعالجة الضوئية ثلاثية الأبعاد (SLA) التي طورها تشارلز هال من الولايات المتحدة في عام 1986.
في السنوات العشرين التالية، ظهر عدد من براءات اختراع تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد، مثل التصنيع الصلب متعدد الطبقات (LOM) والقولبة بالترسيب الذائب (FDM)، واحدة تلو الأخرى.
وفي الوقت نفسه، تشكل تدريجياً في أوروبا وأمريكا عدد من شركات الطباعة ثلاثية الأبعاد المبتكرة، مثل الأنظمة ثلاثية الأبعاد، وSTRATASYS، وحلول SLM.
نظرًا لأن تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد بدأت في وقت مبكر في أوروبا والولايات المتحدة، بعد أكثر من 30 عامًا من التطوير، فقد نضجت نسبيًا تقنيات SLA (المعالجة بالضوء المجسم) و SLS (التلبيد الانتقائي بالليزر) وغيرها من التقنيات.
إنها مثالية نسبيًا في البحث والتطوير وتصنيع المواد والمعدات المعدنية عالية الحرارة.
منذ القرن الحادي والعشرين، تم تطوير تكنولوجيا التصنيع المضافة في مجالات فرعية مختلفة، مثل المعالجة الرقمية للضوء (DLP) وتكنولوجيا النفاثات المتعددة (Ployjet).
كما ظهرت إلى حيز الوجود مواد طباعة ثلاثية الأبعاد خاصة ومعدات طباعة ثلاثية الأبعاد.
في الوقت الحاضر، شكلت صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد في جميع أنحاء العالم بشكل أساسي سلسلة صناعية كاملة تغطي المواد الخام والأجزاء والعمليات والمعدات والخدمات.
تمت ترقية بعض الشركات الرئيسية من شركة تصنيع معدات فردية إلى مزود حلول شاملة من التصميم إلى تصنيع الأجزاء النهائية.
في عام 1986، طور العالم الأمريكي تشارلز هال، أول آلة طباعة ثلاثية الأبعاد تجارية.
في عام 1993، حصل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على براءة اختراع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.
في عام 1995، حصلت شركة Zcorp على الترخيص الوحيد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وبدأت في تطوير آلة التصنيع المضافة.
في عام 2005، طوّرت شركة zcorp بنجاح آلة Spectrum Z510، وهي أول آلة تصنيع مضافة ملونة عالية الوضوح في السوق.
في عام 2010، ابتكر فريق جيم كور الأمريكي أول سيارة في العالم مطبوعة بآلة تصنيع مضافة.
في عام 2011، طوّر باحثون بريطانيون أول طابعة شوكولاتة ثلاثية الأبعاد في العالم.
في عام 2011، قام مهندسون من جامعة ساوثهامبتون بتطوير أول طائرة في العالم مصنوعة من مواد مضافة.
في عام 2012، استخدم علماء اسكتلنديون خلايا بشرية لطباعة أنسجة كبد اصطناعية باستخدام آلة تصنيع مضافة للمرة الأولى.
في عام 2013، قامت شركة Solid Concepts، وهي شركة تصنيع مضافات في أوستن، تكساس، بتصميم وتصنيع مسدس معدني مصنوع من مواد مضافة.
في عام 2018، استخدم رواد الفضاء الروس الطابعة الحيوية ثلاثية الأبعاد على محطة الفضاء الدولية لمحاولة طباعة الغدة الدرقية لفئران التجارب تحت انعدام الجاذبية.
في عام 2019، استخدمت جامعة كاليفورنيا في سان دييغو تقنية التصنيع السريع المضاف لأول مرة لتصنيع سقالة الحبل الشوكي التي تحاكي بنية الجهاز العصبي المركزي.
بعد تحميل الخلايا الجذعية العصبية، تم زرعها في العمود الفقري للفئران المصابة بتلف خطير في الحبل الشوكي، مما ساعد الفئران على استعادة وظائفها الحركية بنجاح.
الأجزاء المعدنية الصغيرة الدقيقة المعقدة، والتيجان المعدنية، والزراعات الطبية.
المكونات المعدنية الكبيرة المعقدة للطائرات
المكونات المعدنية المعقدة في مجال الطيران والفضاء، والغرسات الطبية;
المكونات المعدنية الكبيرة في الفضاء الجوي
قراءة ذات صلة: الطباعة بالليزر ثلاثية الأبعاد: عملية التصنيع المضافة والمواد القابلة للتطبيق
تصميم المنتجات الصناعية وتطويرها، وإنتاج المنتجات المبتكرة والإبداعية، وقوالب الشمع للصب الدقيق.
تصميم وتطوير المنتجات الصناعية وإنتاج منتجات مبتكرة وإبداعية.
الأجزاء البلاستيكية الهندسية للفضاء الجوي، والأجزاء البلاستيكية الهندسية لصب السيارات والأجهزة المنزلية، والأدلة الجراحية الطبية وزراعة العظام
تصميم المنتجات الصناعية وتطويرها، والنوى الرملية للصب والغرسات الطبية والنماذج الطبية والمنتجات المبتكرة والإبداعية والهندسة المعمارية.
تصميم وتطوير المنتجات الصناعية، والغرسات الطبية، وإنتاج منتجات مبتكرة وإبداعية، وقوالب الشمع للصب.
تعتبر مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد هي الأساس المادي المهم لتطوير تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد، كما أن المواد هي قيد مهم لتطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد.
وفقًا لإحصائيات صناعة التطبيقات النهائية للطباعة ثلاثية الأبعاد الصادرة عن شركة wohlersAssociates Inc. في عام 2019، استحوذت صناعة السيارات على النسبة الأكبر، 16.41 تيرابايت 3 تيرابايت;
وتحتل الإلكترونيات الاستهلاكية والفضاء الجوي المركزين الثاني والثالث بـ 15.41 تيرابايت و14.71 تيرابايت و14.71 تيرابايت.
وفقًا لخصائص المنتجات في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، هناك طلب كبير على المواد المعدنية والمركبة، والتي من المتوقع أن تصبح "نقطة التحول" لمواد الطباعة ثلاثية الأبعاد.
تم تطوير المواد الخام المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد العامة خصيصًا لمعدات وعمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي تختلف عن المواد الخام العادية المواد المعدنيةواللدائن والجبس والراتنجات وغيرها. تكون أشكالها بشكل عام مسحوق، خيطي، خيطي، طبقي، سائل، إلخ.
يمكن تصنيف تكنولوجيا التصنيع المضافة من منظور خواص المواد:
على سبيل المثال، تُستخدم مادة الراتنج الحساسة للضوء السائل في الطباعة الحجرية المجسمة (SLA);
يتطلب التصنيع الصلب الطبقي (LOM) مواد صفائحية مثل الورق والأغشية البلاستيكية، في حين أن التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) والذوبان الانتقائي بالليزر (SLM) هما أساسًا مواد مسحوق المعادن والسيراميك.
| مادة القوالب | تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد والتشكيل |
| بلاستيك حراري ورق، غشاء معدني، غشاء بلاستيكي الجبس، مسحوق السيراميك راتنج سائل حساس للضوء مساحيق المعادن والسبائك والبلاستيك الحراري والسيراميك | FDM لوم 3DP SLA\DLP\Ploy Jet سلس\dmls\slm\ebm\ebm |
عادة ما تعتمد المنتجات الصناعية الثقيلة على منتجات صناعية ثقيلة مقاومة للحرارة العالية والتآكل المواد المعدنية.
من أجل تلبية احتياجات المنتجات الصناعية الثقيلة، تم تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد أولاً واستثمار معظمها في المسحوق المعدني.
يتطلب المسحوق المعدني عمومًا نقاءً عاليًا وكروية جيدة وتوزيعًا ضيقًا لحجم الجسيمات ومحتوى منخفض من الأكسجين.
في الوقت الحاضر، تشمل مواد المسحوق المعدني المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي سبائك التيتانيوم وسبائك الكروم والكوبالت والكروم والفولاذ المقاوم للصدأ الفولاذ وسبائك الألومنيوم المواد، بالإضافة إلى الذهب والفضة ومواد مسحوق المعادن الثمينة الأخرى المستخدمة في طباعة المجوهرات.
سبيكة التيتانيوم يستخدم على نطاق واسع في أجزاء الضاغط الطرفية الباردة لمحركات الطائرات والأجزاء الهيكلية المختلفة للصواريخ والصواريخ والطائرات نظرًا لقوته العالية ومقاومته الجيدة للتآكل ومقاومته العالية للحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، يستخدم مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ على نطاق واسع لمقاومته للتآكل. تتميز نماذج الفولاذ المقاوم للصدأ المطبوعة ثلاثية الأبعاد بقوة عالية وهي مناسبة لطباعة العناصر كبيرة الحجم.
في الوقت الحاضر، حققت أوروبا والولايات المتحدة التشكيل المباشر بالليزر للفولاذ المقاوم للصدأ صغير الحجم والسبائك الفائقة وأجزاء أخرى.
في المستقبل، سيكون التشكيل السريع بالليزر للمكونات المعدنية الكبيرة الحجم المصنوعة من السبائك الفائقة وسبائك التيتانيوم هو الاتجاه التقني الرئيسي.
تشير المواد البلاستيكية الهندسية إلى المواد البلاستيكية الصناعية المستخدمة كأجزاء صناعية أو مواد غلاف، والتي تتميز بالقوة ومقاومة الصدمات ومقاومة الحرارة والصلابة ومقاومة التقادم.
تُعد المواد البلاستيكية الهندسية حاليًا أكثر مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد استخدامًا على نطاق واسع، بما في ذلك مواد ABS ومواد الكمبيوتر الشخصي ومواد النايلون وغيرها.
يعد PC-ABS أحد أكثر اللدائن الهندسية اللدائنية الحرارية البلاستيكية استخداماً.
ويتميز بصلابة ABS والقوة العالية ومقاومة الحرارة لمواد الكمبيوتر الشخصي، ويستخدم في الغالب في صناعات السيارات والأجهزة المنزلية والاتصالات.
تبلغ قوة العينة المصنوعة من هذه المادة حوالي 60% أعلى من قوة الأجزاء التقليدية.
في الصناعة، عادةً ما تُستخدم مواد PC-ABS في طباعة الأجزاء البلاستيكية الحرارية مثل النماذج التصورية والنماذج الأولية الوظيفية وأدوات التصنيع والأجزاء النهائية.
PC-ISO عبارة عن مادة بلاستيكية حرارية بيضاء اللون حاصلة على شهادة طبية وصحية.
يتميز بقوة عالية ويستخدم على نطاق واسع في الصناعات الدوائية وصناعات الأجهزة الطبية، مثل المحاكاة الجراحية وإصلاح الجمجمة وطب الأسنان وغيرها من المجالات المهنية.
يكون الراتينج الحساس للضوء سائلًا بشكل عام، والذي يمكن أن يسبب تفاعل البلمرة على الفور لإكمال المعالجة تحت طول موجي معين من الأشعة فوق البنفسجية، ويمكن استخدامه لصنع مواد عالية القوة ومقاومة لدرجات الحرارة العالية ومقاومة للماء.
مادة سوموس 19120 وردية اللون، وهي مادة صب خاصة.
بعد التشكيل، يمكنها أن تحل مباشرةً محل النموذج الأولي لفيلم الشمع الخاص بالصب الدقيق، وتتجنب مخاطر تطور القالب، وتتميز بخصائص انخفاض معدل الاحتفاظ بالرماد والدقة العالية.
مادة سوموس التالية هي مادة بيضاء. وهي نوع جديد من مواد الكمبيوتر الشخصي ذات صلابة جيدة جدًا. ويمكنها أن تفي بشكل أساسي بأداء مادة النايلون المصنوعة عن طريق التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)، وتتمتع بدقة وجودة سطح أفضل.
تتمتع المكونات المصنوعة من هذه المادة بأفضل صلابة ومتانة حتى الآن، مع الحفاظ على مزايا مواد النمذجة ثلاثية الأبعاد المعالجة بالضوء مثل الصنعة الرائعة والحجم الدقيق والمظهر الجميل.
ويستخدم بشكل رئيسي في مجالات السيارات والأجهزة المنزلية والسلع الاستهلاكية الإلكترونية.
يتمتع بقوة عالية، وصلابة عالية، ومقاومة درجات الحرارة العالية، وكثافة منخفضة، وثبات كيميائي جيد، ومقاومة للتآكل وغيرها من الخصائص الممتازة، ويستخدم على نطاق واسع في صناعة الطيران والسيارات والبيولوجيا وغيرها من الصناعات.
في ظل التكنولوجيا التقليدية، يجب تشكيل الأجزاء الخزفية المعقدة بواسطة القوالب، والتي لها تكلفة معالجة عالية ودورة تطوير طويلة، ويصعب تلبية احتياجات التحديث المستمر للمنتج.
في الطباعة ثلاثية الأبعاد، يتم استخدام التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) لمعالجة مسحوق السيراميك، مما يمكن أن يلغي خطوات التصميم المرهقة ويحقق النماذج الأولية السريعة للمنتجات.
تحتوي هذه المادة على عيوب معينة. تستخدم SLS خليطًا من مسحوق السيراميك الملبد بالليزر ومسحوق رابط معين.
بعد التلبيد بالليزر، يجب وضع منتجات السيراميك في فرن يتم التحكم في درجة حرارته للمعالجة اللاحقة.
علاوةً على ذلك، يكون التوتر السطحي للطور السائل مرتفعًا عندما يتم تلبيد مسحوق السيراميك مباشرةً وبسرعة بواسطة الليزر، وسيتولد إجهاد حراري كبير أثناء عملية التصلب السريع، وبالتالي تشكيل المزيد من التشققات الدقيقة.
في السنوات الأخيرة، تم أيضًا تطبيق مواد غذائية مثل مواد الجبس الملون ومسحوق العظام الاصطناعي والمواد البيولوجية الخلوية والسكر في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد.
مادة الجبس الملون هي مادة طباعة ثلاثية الأبعاد بالألوان الكاملة.
استنادًا إلى مبدأ تشكيل الطباعة طبقة بطبقة على وسائط المسحوق، بعد معالجة المنتجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد، قد تظهر تأثيرات الجسيمات الدقيقة على السطح، والتي تبدو مثل الصخور، وقد تظهر قوامات دقيقة تشبه الحلقات على السطح المنحني.
لذلك، يتم استخدامها في الغالب في دمية الرسوم المتحركة وغيرها من المجالات.
يتم تصنيع اللحم الطازج المطبوع من قبل جامعة بنسلفانيا في الولايات المتحدة باستخدام وسط خلوي مزروع في المختبر لتوليد مادة بديلة مشابهة للحوم الطازجة، باستخدام مادة سول مائية كمادة رابطة ثم دمجها مع جزيئات سكر خاصة.
هناك أيضًا الحبر البيولوجي المصنوع من الخلايا البشرية، والذي لا يزال في مرحلة التصورات، وكذلك الورق البيولوجي الخاص نفسه.
عند الطباعة، يتم رش الحبر البيولوجي على الورق البيولوجي تحت سيطرة الكمبيوتر، وفي النهاية يتم تشكيل أعضاء مختلفة.
فيما يتعلق بالمواد الغذائية، في الوقت الحاضر، يمكن لطابعات السكر ثلاثية الأبعاد أن تصنع الحلويات بأشكال مختلفة وجميلة ولذيذة مباشرة عن طريق رش السكر الساخن.
تشمل المواد الخاصة الحالية للتصنيع الإضافي المواد المعدنية والمواد غير العضوية غير المعدنية ومواد البوليمر العضوية والمواد الحيوية.
ومع ذلك، فإن تطبيق تكنولوجيا التصنيع المضاف مقيد بشكل خطير بسبب قلة عدد المواد المفردة وعدم كفاية الأداء.
في الوقت الحاضر، قام قادة الصناعة وبعض شركات المواد بوضع مجال المواد الخاصة واحدًا تلو الآخر، حيث اخترقت عددًا من المواد المركبة الجديدة من البوليمرات، ومواد السبائك عالية الأداء، والمواد النشطة بيولوجيًا، والمواد الخزفية وغيرها من المواد الخاصة.
تقوم الشركات ذات الصلة بدمج المواد النانوية ومواد ألياف الكربون وغيرها من المواد مع أنظمة المواد الحالية، وتطوير مركبات نانوية متعددة الوظائف، ومركبات مقواة بالألياف، ومركبات الحشو غير العضوية، ومركبات الحشو المعدنية، وسبائك البوليمر وغيرها من المركبات، والتي لا تمنح المواد خصائص متعددة الوظائف فحسب، بل توسع أيضًا مجال تطبيق تكنولوجيا التصنيع المضافة، مما يجعل المركبات أحد اتجاهات تطوير المواد الخاصة.
بالمقارنة مع طريقة التصنيع التقليدية لتقليل المواد (طريقة التصنيع الآلي لإزالة المواد عن طريق أدوات القطع)، فإن التصنيع المضاف (التصنيع الإضافي) له العديد من المزايا:
عادةً ما يستغرق صنع نموذج بالطرق التقليدية عدة أيام حسب حجم النموذج وتعقيده، بينما يمكن اختصار الوقت إلى عدة ساعات بواسطة تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وهذا يعتمد بالطبع على أداء الطابعة وحجم النموذج وتعقيده.
بالمقارنة مع تكنولوجيا تصنيع المعادن التقليدية، تنتج آلة التصنيع المضافة منتجات ثانوية أقل عند تصنيع المعادن.
مع تقدم مواد الطباعة، قد يصبح تصنيع "الشكل الصافي" طريقة معالجة أكثر صداقة للبيئة.
التصنيع التقليدي للمواد المختزلة له قيود في المعالجة الأشكال المعقدة والهياكل البطنية الداخلية، بينما يمكن للتصنيع الإضافي تحسين أداء المنتج من خلال تصنيع هياكل معقدة، وله مزايا لا تضاهى في مجال الطيران ومعالجة القوالب وغيرها من المجالات.
1984: طور تشارلز هال أول تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد SLA
1986: تم تشكيل تقنية LOM وتأسيس الأنظمة ثلاثية الأبعاد
1988: تشكلت تقنية FDM
1989: تشكيل تكنولوجيا SLS، وإنشاء STRATASYS و EOS
1992: تم تشكيل تقنية 3DP، وصنعت الأنظمة ثلاثية الأبعاد أول آلة قولبة ثلاثية الأبعاد ثلاثية الأبعاد المعالجة بالضوء.
2002: طباعة أول عضو بشري ثلاثي الأبعاد - كلية.
2006: ولادة أول طابعة SLS
2009: دخول مجموعة الطابعات ثلاثية الأبعاد التي أنتجتها شركة makerbot إلى السوق
2011: شركة ماديز تقدم خدمة طباعة المجوهرات الذهبية والفضية لأول مرة
2012: اندماج عملاقي الطباعة ثلاثية الأبعاد ستراتاسيس وأوبجيت
2013: أول طباعة صينية ثلاثية الأبعاد لمكونات المحامل الرئيسية الكبيرة الحجم من سبائك التيتانيوم للطائرات
2016: استحوذت جنرال إلكتريك على عملاقين من عمالقة الطباعة ثلاثية الأبعاد هما Concept laser وArcam.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
NL 
PT 
RU