الطباعة المجسمة

الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D printing هوصيغة من تكنولوجيا التصنيع بالاضافة حيث يـُخلق الشيء ثلاثي الأبعاد بوضع طبقات متتالية من مادة. والطابعات ثلاثية الأبعاد في العادة أسرع وأوفر وأسهل في الاستعمال من التكنولوجيات الأخرى للتصنيع بالاضافة. وتتيح الطابعات ثلاثية الأبعاد للمطورين القدرة على طباعة أجزاء وتجميعات وهجريبات مصنوعة من مواد مختلفة وبمواصفات ميكانيكية وفيزيائية مختلفة في عملية بناء واحدة. التكنولوجيات المتقدمة للطباعة ثلاثية الأبعاد تنتج نماذج تشابه كثيراً منظر وملمس ووظيفة النموذج الأولي للمنتج.

في السنوات الأخيرة، أصبح من الممكن مالياً تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد على مستوى المشروعات الصغيرة-المتوسطة، بذلك انتقلت النمذجة من الصناعات الثقيلة إلى البيئة المخطية، وبأسعار تصل إلى 5,000 دولار للطابعة ثلاثية الأبعاد. كما أنه يمكن تطبيقها الآن في نفس الوقت على مجموعات مختلفة من المواد.

وكذلك تقدم الطباعة ثلاثية الأبعاد عروض هائلة لتطبيقات الإنتاج.وتستخدم هذه التقنية في المجوهرات، الأحذية، التصميم الصناعي، العمارة، الهندسة، والانشاءات، السيارات، الطائرات، طب الأسنان والصناعات الطبية.

الطباعة

ولقد ارتبط مصطلح الطباعة في أذهان الكثيرين بالمنتجات ذات البعدين وبتقنيات الزخرفة سواء على الورق أوالنسيج أوحتى طباعة الصور، ولكن حتى يرتبط مصطلح الطباعة باحدى طرق التشكيل فذلك لم يتعوده العاملون في مجال التصميم الصناعي. وما زالت طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد تحت التطوير من قبل بعض الشركات العالمية وذلك بقصد الوصول الى انتاج سريع ومرن لأجزاء النموذج الأول (prototype) وكذلك الأجزاء النهائية للمنتج مباشرة من النموذج المصمم على الحاسب الآلي بمساعدة برنامج الأوتوكاد.

وهذه الطريقة لم يسبق لها مثيل في المرونة، حيث يمكن انتاج أي جزء أوشكل هندسي وبعدة خامات مثل الخزف، المعادن، البوليمرات، والكثير من المركبات الأخرى. ولقد ابتكر إمانويل ساكس Emanuel Sacks تقنية الطباعة الثلاثية الأبعاد عام 1993 وما زال التطوير بها مستمرا حتى يومنا.

التكنولوجيات

نموذج مطبوع ثلاثي الأبعاد لمنتجع في ڤيل، كولورادو. المصمم، تشارلز اوڤري، يقول حتى بناء نموذج كان يكلف نحو100,000 دولار، ولكن بتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد فنفس النموذج يكلفه 2,000 دولار.

نموذج مطبوع ثلاثي الأبعاد لساق تعويضية.

تستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لبناء أجزاء المنتج أوالنموذج الأول في شكل طبقات، حيث يرسم الجزء المطلوب بمساعدة برنامج أوتوكاد ثم يقسم التصميم إلى رسوم محوسبة (Algorithm Draw) بحيث يحتوي جميع رسم على المعلومات والتافصيل الدقيقة لكل طبقة.

ويتم بناء جميع طبقة بنثر أونفث مسحوق الخامة (powder) فوق سطح طبقة أخرى من المسحوق تم اعدادها كأساس.

ويتم تكوين أوبناء الطبقات بتقنية مماثلة لتلك المستخدمة في حالة الطباعة بالنفث الحبري (Ink-jet printing)، وتستخدم في هذه التقنية مواد رابطة (Binders) للخامات لتربط الحبيبات لكي يتم تشكيل النموذج.

ويقوم مكبس (Piston) بضغط طبقة المسحوق الأساسية لتثبيتها ومن ثم يرتفع ليقوم بضغط الطبقة التالية التي سيتم نفصها ثم ربط حبيباتها باستخدام المواد الرابطة، ويتم تكرار بناء طبقة فوق طبقة حتى يكتمل تشكيل الجزء المطلوب.

ويتم نفث القطرات حسب الطلب حيث يقوم النافث (Nozzle) بتوزيع كميات منفصلة أومستمرة من المواد الرابطة تترسب فوق طبقة من المسحوق سواء أكان مادة خزفية أومعدن أوبوليمرات والذي يفترض أن يتحول الى قطاع رقيق للشكل المطلوب وبتكرار النفث للخامات والمواد الرابطة تتكون الطبقة تلوالأخرى حتى نحصل على الشكل النهائي.

ويمكن تشكيل أي خامة توجد في صورة مسحوق بواسطة طريقة الطباعة الثلاثية وأكثر من ذلك لأن الخامات المتنوعة يمكن توزيعها أونفثها بعدة رؤوس طباعة مختلفة، ويمكن حتى نجري تحكم على هجريب الخامة كما يمكن حتى نحدد بدقة متناهية الأماكن المناسبة لسقوط القطرات وذلك بقصد الحصول على ملامس محددة وللتحكم في الهجريب الجزيئي الداخلي للجزء المنتج.

بعد ذلك تتم المعالجة الحرارية، حيث يتم التخلص من المسحوق غير المرتبط وكذلك المواد الرابطة الغير مرغوب فيها.

ويتم الحريق أوالمعالجة الحرارية لدرجات حرارة تتعدى 1000 درجة مئوية حيث تحدث عملية التلبيد (sintering) لاكساب الجسم صلابة ومتانة تلائم الاستخدام.

ويستخدم في هذه التقنية نوعين من المواد الرابطة، النوع الأول يتفاعل ويترابط مع الخامات أوالمساحيق المستخدم سواء كانت خزف أومعدن، أما النوع الثاني فلا يتفاعل مع الخامات ويتبخر أثناء عملية الحرق.

الاستخدامات

مثال لنسخ غرض حقيقي باستخدام مسح ثلاثي الأبعاد وطباعة ثلاثية الأبعاد: نموذج الجرجوري إلى اليسار تم الحصول عليه رقمياً باستخدام ماسح ثلاثي الأبعاد ثم معالجة البيانات الثلاثية الابعاد الناتجة باستخدام مش‌لاب. النموذج ثلاثي الأبعاد الرقمي الناتج، الظاهر على شاشة الحاسب المحمول، استخدمته ماكينة نمذجة سريعة لصناعة نسخ راتنجية طبق الأصل من الغرض الأصلي.

تستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بكثرة وبشكل أساسي في مجال الطب والصيدلة إلا حتى لها تطبيقات في مجالات أخرى مثل الخزف والمعادن، وتشكيل قوالب الصب. ويقول إمانويل ساكس مبتكر الطباعة الثلاثية حتى أساسيات تقنية الطباعة الثلاثية واحدة في جميع حالة.

وتستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع منتجات تجارية ذات أسطح خاصة مثل المرشحات الصناعية وتتميز المرشحات المنتجة بطريقة الطباعة الثلاثية عن مثيلاتها المنتجة بطرق التشكيل التقليدية مثل كيفية التشكيل بالبثق أوطريقة الصب في القوالب، والتي غالبا ما تظهر بها بعض العيوب مثل التشققات (cracks).

وتتيح تقنية الطباعة الثلاثية جميع الامكانيات لانتاج أسطح خاصة في مجال الخزف حيث يمكن التحكم في وضعية الأجزاء الدقيقة للخامات، مما يعهد بالطباعة الخزفية (ceraprinting).

ان طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد توحد المساحيق والمواد الرابطة بمرونة هندسية لم يسبق لها مثيل، وتختصر الطباعة الثلاثية الوقت اللازم لترويج منتج حديث في الكثير من المجالات وذلك بتحسين جودة المنتج، بالجمع بين التصميم والتصنيع مباشرة، وتخفض تكلفة المنتج بواسطة تخفيض تكلفة فترة التطوير والتحديث.

كذلك يمكن زيادة معدل الانتاج بتخصيص جميع ماكينة أوطابعة لانتاج نوعية واحدة من المنتجات، لذلك فان الطباعة الثلاثية هي الثورة القادمة في التصنيع لكونها الرائدة في الانتاج السريع للنماذج الأولية وكذلك الأجزاء النهائية للمنتج.

مميزات تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

1- سهولة تعديل التصميم.

2- امكانية نسخ التصميمات باسخدام نظام مسح ضوئي رقمي وتحويلها الى منتج ثلاثي الأبعاد.

3- مكانية الحصول على أجزاء كبيرة الحجم، الأجزاء البارزة، الأجزاء المتداخلة، والأجزاء المعشقة بزاوية أقل من 90 درجة والتي من الصعب أوالمحال الحصول عليها بطرق التشكيل التقليدية.

4- نظام استرجاع متكامل للخامات.

5- لا تستخدم أدوات أوأجهزة كثيرة وبذلك نختصر الوقت والتكلفة.

6- لا توجد حدود لمدى تعقيد التصميم.

7- تتفوق طريقة الطباعة الثلاثية على طرق التشكيل التقليدية وذلك حتى مكونات المنتج في طريقة الطباعة الثلاثية تنافس أداء مثيلاتها التي صنعت بطرق التشكيل التقليدية.

8- تكلفة أقل.

9- دورة انتاج قصيرة جدا.

10- لحصول على منتج مطابق لكل المواصفات القياسية.

رپراپ RepRap

رپراپ، النسخة 2.0 (مندل)

الأجهزة

مقارنة لغرضين فنيين من السيراميك. الأصلي صنعه جون باليسترري ثم نـُسـِخ باستعمال ماسح ثلاثي الأبعاد ثم طـُبـِع باستعمال نمذجة سريعة بالسيراميك.

تكنولوجيات النمذجة وموادهم الأساسية

تحميص الليزر الانتقائي Selective laser sintering (SLS): لدائن حرارية، فلزات، رمل وزجاج
نمذجة الترسيب المنصهر Fused Deposition Modeling (FDM): لدائن حرارية
Digital Light Projection (DLP): پوليمر ضوئي
ليثوگرافية فراغية Stereolithography (SL): پوليمر ضوئي
أنظمة تغليف Lamination systems: الورق والبلاستيك
صهر شعاع الإلكترون Electron Beam Melting (EBM): سبائك التيتانيوم
طباعة ثلاثية الأبعاد (3DP): مواد مختلفة، بما فيها الراتنجات
طباعة سيراميكية ثلاثية الأبعاد: مواد صلصالية وسيراميكية مختلفة

مقارنة الطابعات ثلاثية الأبعاد

الصانع	الموديل	الثمن ($)	مواد النموذج	مقاس المنتج (س‌ص‌ع، مم)	حجم المنتج (بوصة^3)	سمك الطبقة (مم)	XY Positioning	مادة الدعم	نظام التشغيل	الرخصة المفضلة	التشبيك	مقاس (مم، WDH)	الوزن (رطل)	متطلبات الطاقة	مطابقة المواصفات
بت من البايت	BFB 3000	3114		320x300x200	1172	0.1	0.05			GNU GPL			68	أقصى طاقةr 90 W (7.5 A @ 12 V)
MakerBot Industries, RepRap	CupCake CNC	950	ABS Natural, Red, Green, Yellow, Blue, Pink, Black	100x100x130	80	0.34	.08	none	ليونكس, OSX, ويندوز	GNU GPL	none			none
رپراپ	LaserCut Mendel	950ish	ABS Natural, Red, Green, Yellow, Blue, Pink, Black	320x300x200	80	0.34	.08	none	ليونكس, OSX, ويندوز	GNU GPL	none			none
رپراپ	Eiffel	300ish	ABS Natural, Red, Green, Yellow, Blue, Pink, Black		80	0.34	.08	none	Linux, OSX, Windows	GNU GPL	none			none
رپراپ	مندل	500ish	ABS Natural, Red, Green, Yellow, Blue, Pink, Black	320x300x200	80	0.34	.08	none	ليونكس, OSX, ويندوز	GNU GPL	none			none
رپراپ	ميني-مندل	500ish	ABS Natural, Red, Green, Yellow, Blue, Pink, Black	100x100x130	80	0.34	.08	none	لينوكس, OSX, ويندوز	GNU GPL	none			none
Stratasys	uPrint	14900	ABSPlus Ivory	203x152x152	288	0.254		Water soluble	ويندوز إكس پي, ڤيستا, 7	خاص	إثرنت 10/100	635x660x800, 635x660x953 (with cartridge)	168, 206 (with cartridge)	100-127 VAC 50/60 Hz, minimum 15A dedicated circuit, or 220-240 VAC 50/60 Hz, minimum 7A dedicated circuit	CE / ETL / RoHS / WEEE
Stratasys	uPrint Plus	19900	ABSPlus ivory, white, red, blue, black, gray, nectarine, florescent yellow, olive green	203x203x152	384	0.254, 0.330		Water soluble	ويندوز إكس پي, ڤيستا, 7	خاص	إثرنت 10/100	635x660x800, 635x660x953 (with cartridge)	168, 206 (with cartridge)	100-127 VAC 50/60 Hz, minimum 15A dedicated circuit, or 220-240 VAC 50/60 Hz, minimum 7A dedicated circuit	CE / ETL / RoHS / WEEE
Stratasys	BST 1200es	24900	ABSPlus ivory, white, red, blue, black, gray, nectarine, florescent yellow, olive green	254x254x305	1200	0.254, 0.330		بريكواي	ويندوز إكس پي, ڤيستا	خاص	إثرنت 10/100	838x737x1143	326	100-127 VAC 50/60 Hz, minimum 15A dedicated circuit, or 220-240 VAC 50/60 Hz, minimum 7A dedicated circuit	CE / ETL
Stratasys	SST 1200es	32900	ABSPlus Ivory, white, red, blue, black, gray, nectarine, florescent yellow, olive green	254x254x305	1200	0.254, 0.330		Water soluble	ويندوز إكس پي, ڤيستا	خاص	إثرنت 10/100	838x737x1143	326	100-127 VAC 50/60 Hz, minimum 15A dedicated circuit, or 220-240 VAC 50/60 Hz, minimum 7A dedicated circuit	CE / ETL
Stratasys	Elite	29900	ABSPlus Ivory, white, red, blue, black, gray, nectarine, florescent yellow, olive green	203x203x305	768	0.178, 0.254		Water soluble	ويندوز إكس پي, ڤيستا	خاص	إثرنت 10/100	685x914x1041	300	100-127 VAC 50/60 Hz, minimum 15A dedicated circuit, or 220-240 VAC 50/60 Hz, minimum 7A dedicated circuit	CE / ETL

انظر أيضا

Desktop manufacturing
Digital fabricator
Direct digital manufacturing
Instant manufacturing, also known as "direct manufacturing" or "on-demand manufacturing"
قائمة التقنيات الناشئة
Rapid manufacturing
Self-replicating machine
Solid freeform fabrication

المصادر

^ See animation of layering
^ "Close-Up On Technology - 3D Printers Lead Growth of Rapid Prototyping - 08/04". Ptonline.com. Retrieved 2009-09-01.
^ د. حسان رشيد عبد العزيز. "الطباعة ثلاثية الأبعاد (العبور السريع للمنتج)" (PDF). كلية المفهمين بمحافظة جدة،.

[www.azom.com]
[www.idocrteation.com]
[www.3dsystems.com]
[1]
[file://D:\3d%20printin.htm]
الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين

قراءات إضافية

Easton, Thomas E. (2008). "The 3D Trainwreck: How 3D Printing Will Shake Up Manufacturing". Analog. 128 (11): 50–63. Unknown parameter |month= ignored (help)
Wright, Paul K. (2001). 21st Century manufacturing. New Jersey: Prentice-Hall Inc.

وصلات خارجية

Business Week: Printing in 3D Gets Practical
Something Completely Different - 3D Printing
Times Online article - Microtrends: 3D Printing
Technical Articles on 3D printing
3D printer reshapes world of copying
3D Printing for the Masses
A Factory on Your Desk
النيويورك تايمز وفيه فيديورائع يستعرض الوضع الحالي لتكنولوجيات الطباعة ثلاثية الأبعاد.