مقالات

الطابعة ثلاثية الأبعاد : مبدأ عملها, و الألية المستخدمة في عملية الطباعة

تعتبر الثورة الصناعية القادمة على المجال التقني واحدة من أهم و أسرع حركات التطور في الأونة الأخيرة, حيث تهتم بتقديم منتجات قادرة على خلق الإبداع من خلال تسهيل تطبيق الأفكار الشخصية و تحويلها إلى شيء ملموس. الطابعة الثلاثية الأبعاد (3D Printer ) واحدة من تلك المنتجات الكثيرة التي شهدت الكثير من عمليات التحسين في سبيل إنتاج أشياء مادية مبتكرة.

الفكرة الأهم و الواجب العمل عليها في الفترة القادمة هي كيفية استخدام تلك المنتجات لتوظيفها بالشكل الأمثل, لكن قبل ذلك من المفترض معرفة الألية المستخدمة في الطابعة ثلاثية الأبعاد وهو موضوع مقالتنا هذه, قراءة ممتعة.

Related image

الطابعة ثلاثية الأبعاد 3D Printer

الطباعة ثلاثية الأبعاد و المعروفة أيضا باسم التصنيع المضاف(additive manufacturing) يشير هذان المصطلحان إلى العمليات المستخدمة لإنشاء كائن ثلاثي الأبعاد حيث يتم إنشاء طبقات من المواد تحت تحكم و إشراف أجهزة الحاسوب لتصنيع هذا الكائن, و يمكن أن يكون هذا الكائن أي شكل أو هندسة أو عمارة و عادة ما يتم إنتاجها من بيانات النموذج الرقمي لشكل ثلاثي الأبعاد يتم تصميمه باستخدام الحاسوب أو من مصدر بيانات الكتروني آخر, عادة ما يكون ملف تصنيع إضافي حيث صممت هذه الملفات لتقوم هذه الطابعات بالتعرف عليها و قراءته.

تتم صناعة هذه النماذج باستخدام مواد من البوليمر و ذلك لمرونته أثناء عملية الطباعة و قدرته على التصلب بعد فترة من الزمن و بذلك يكون ملائم لهذا النوع من الصناعات.

المبادئ العامة للتقنية

يمكن إنشاء نماذج قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد مع حزمة تصميم باستخدام الحاسوب عبر ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد أو كاميرا رقمية عادية و برامج تصوير فوتوغرافي, النماذج المطبوعة بتقنية 3D يتم إنشاؤها باستخدام برامج تصميم تؤدي لتقليل الأخطاء و يمكن تصحيحها قبل الطباعة و بذلك يمكن معاينة الكائن قبل طباعته.

عملية النمذجة اليدوية لإعداد البيانات الهندسية لرسومات الحاسوب بتقنية 3D تشبه بشكل كبير الفنون التقليدية مثل النحت, أما المسح الضوئي ثلاثي الأبعاد هو عملية جمع البيانات الرقمية على شكل و مظهر من كائن حقيقي و خلق نموذج رقمي على أساس ذلك.

الألية المستخدمة في الطابعة ثلاثية الأبعاد 3D Printer

الجزء البرمجي 

العملية البرمجية تحتاج العديد من الأمور المهمة و الخطوات الدقيقة التي تقوم بها أجهزة المعالجة الموجودة داخل الحاسوب المركزي للطابعة و التي تساهم في إخراج الهيكل المطبوع بأفضل صورة ممكنة.

قبل البدء بعملية الطباعة يتم التحقق من النموذج المطلوب طباعته حيث أن معظم النماذج التي يتم إدخالها بواسطة الماسح الضوئي ثلاثي الأبعاد تحتوي على العديد من الأخطاء الناتجة عن عدم دقة عملية المسح الضوئي و الأخطاء في عملية نقل البيانات لذلك يتم إصلاح هذه الأخطاء و المشاكل في النموذج الرقمي قبل البدء بتحليله وطباعته.

بمجرد الانتهاء من إصلاح المجسم الرقمي يتم إنشاء ملف يحوي تصميم الهيكل يسمى ملف STL و لكن يحتاج هذا الملف إلى معالجة بواسطة قطعة من البرمجيات تسمى Slicer الذي يحول النموذج إلى سلسلة من الطبقات الرقيقة, و ينتج ملف ترميزي يسمى G file تحتوي على تعليمات مخصصة فقط لنوع معين من الطابعات ثلاثية الأبعاد(FDM Printers) حيث يقوم هذا الملف بإرشاد الطابعة أثناء عملية طباعة النموذج .

Image result for 3d printer programing part

يصف قرار الطابعة سمك الطبقة المناسب و أبعادها X-Y حيث أن القرار يكون في النقاط لكل بوصة ( نقطة في البوصة ) أو الميكرومتر ( ميكرون ), سمك الطبقة النموذجية يكون حوالي 100 ميكرون و لكن هناك آلات يمكنها طباعة طبقات رقيقة حوالي 16 ميكرون.

الجزء العملي

عند الانتهاء من الأمور البرمجية تبدأ عملية الطباعة الفعلية حيث يتم تدفق مواد البوليمر من فتحة متغيرة القطر للتحكم بتدفق المادة بشكل كامل من دون أخطاء.

على الرغم من أن القرار الذي تم اتخاذه من قبل الطابعة يكفي للعديد من التطبيقات إلا انه عند كل عملية طباعة يتم اتخاذ قرارات جديدة و ذلك لزيادة دقة عملية الطباعة .

بعض البوليمرات القابلة للطباعة مثل ABS تسمح بتمهيد سطح الانتهاء و تحسينه باستخدام عمليات البخار الكيميائي على أساس الأسيتون أو المذيبات المماثلة .

بعض تقنيات التصنيع المضافة قادرة على استخدام مواد متعددة في سياق بناء الأجزاء, هذه التقنيات قدرة على الطباعة بألوان متعددة و تركيب الألوان في وقت واحد.

بناء نموذج مع الأساليب المعاصرة يمكن أن يستغرق من عدة ساعات لعدة أيام اعتمادا على الطريقة المستخدمة و حجم و تعقيد النموذج و لكن الأنظمة التي تمت إضافتها لهذه الطابعات تعمل على تقليل المدة لبضع ساعات على الرغم من أنها تختلف اختلافا كبيرا تبعا لنوع الآلة المستخدمة و حجم و عدد النماذج التي يتم إنتاجها بوقت واحد.

Image result for 3d printer working  part

التقنيات التقليدية مثل الحقن أو الصب يمكن أن يكون اقل تكلفة لتصنيع منتجات البوليمر و لكن الطابعة ثلاثية الأبعاد تعتبر أسرع و أكثر كفاءة و مرونة في تصنيع هذه المنتجات.

العمليات و الطابعات

هناك عدد كبير من العمليات المضافة المتاحة الاختلافات الرئيسية بين العمليات هي بطريقة إضافة و توضع الطبقات لبناء الأجزاء, كل طريقة لها مزاياها الخاصة و العيوب و هذا هو السبب في أن بعض الشركات تقدم خيارا لنوع البوليمر المستخدم لبناء الكائن .

الاعتبارات الرئيسية في اختيار الطابعة المناسبة هي من خلال السرعة و تكاليف الطابعة لكل نموذج, و اختيار و تكلفة المواد و قدرات اللون.

بعض الطرق يتم فيها صهر أو تليين المواد لإنتاج الطبقات حيث يتم صهرها بشكل خيوط و بثقها بشكل حبيبات صغيرة تتصلب على الفور لتشكيل طبقات ثم يتم تغذيتها بخيوط من اللدائن الحرارية و الأسلاك المعدنية و غيرها من المواد في رأس فوهة البثق التي تساعد في إضافة الصلابة لمادة البوليمر, حيث أن هذه التقنية تستخدم عند طباعة مجسمات تحتوي على أجزاء غير قادرة على الثبات بدون دعائم مساعدة حيث أنه باستخدام هذه التقنية يصبح بالإمكان الاستغناء عن هذه الدعائم .

طرق أخرى يتم فيها معالجة المواد السائلة باستخدام تقنيات متطورة مختلفة و تستخدم البلمرة الضوئية في المقام الأول في المجسمات الحجرية لإنتاج جزء صلب من سائل حيث يتم استخدام الفوتوبوليمر الذي يتحول لمادة هلامية عند تعريضه للأشعة فوق البنفسجية حيث يمكن بهذه الطريقة التعامل معه بسهولة و يمكن التلاعب بدرجة هلاميته من خلال مدة التعرض للأشعة و قوتها و بزيادة تعريضه لها فانه يتحول لمادة صلبة .

اعتبارا من أكتوبر 2012 كانت الطابعات ثلاثية الأبعاد في السوق غالية الثمن حيث تراوحت أسعارها بين 2000$ للطابعات الصغيرة و المتوسطة و 500,000$ للطابعات الصناعية ذات الكفاءة العالية و كانت تستخدم في الصناعات بما في ذلك الطيران و الهندسة المعمارية و السيارات و الدفاع و الاستبدال الطبي و غيرها الكثير على سبيل المثال, تستخدم جنرال اليكتريك النموذج المتطور من هذه الطابعات لبناء قطع غيار للتوربينات.

حديثا تم إرسال العديد من المسابير الفضائية لكوكب المريخ من قبل وكالة الفضاء الأمريكية التي تحتوي على روبوتات ضخمة مزودة بطابعات ثلاثية الأبعاد لتقوم ببناء ملاجئ و مساكن للبشر على الكوكب و ذلك لدعم مشروعها لاستيطان المريخ, حيث أن الروبوت عبارة عن طابعة ثلاثية الأبعاد مزودة بمواد بناء خاصة ستقوم باستقبال المجسمات للمسكن و تحليلها ثم بنائها على أرض المريخ ليتحول سطحه لمدينة بانتظار قدوم البشر .

Image result for 3d printer large

تعتبر مؤسسات التعليم العالي المشتري الأساسي لهذه الطابعات المكتبية و المهنية و التي يعتبرها الخبراء مؤشرا ايجابيا و أصبحت المكتبات في جميع أنحاء العالم مواقع لإيواء طابعات ثلاثية الأبعاد .

و بذلك تعتبر هذه التقنية ثورة في مجال صناعة المجسمات و ستصبح من الأمور المهمة التي لا يمكن الاستغناء عنها في ظل سعي العديد من الشركات لتطوير طابعة ثلاثية الأبعاد مخصصة للاستعمال المنزلي و توفيرها في السوق بسعر ملائم.

المصادر :

الوسوم

مجد زهرة

طالب جامعي أدرس هندسة الميكاترونيك مهتم بجميع المجالات بالتقنية و لاسيما أجهزة الأندرويد و الأمور المتعلقة بها, و خبرة في مجال صيانة الحاسوب و إصلاح المشاكل المتعلقة بالنظام.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

error: تم تعطيل النسخ

أنت تستخدم إضافة Adblock

الرجاء دعمنا عن طريق تعطيل إضافة Adblock