تواصل التطورات التكنولوجية سعيها من أجل الوصول إلى المزيد من الاكتشافات التي تسهل حياة الإنسان في مختلف المجالات، تعتبر الطباعة ثلاثية الأبعاد (3d printing) أو ما يعرف ب ثري دي أحد هذه التطورات التي يتوقع أن تسبب ثورة صناعية تكنولوجية هائلة يتم فيها انتاج مجسمات كاملة من خلال التصنيع بالإضافة (التصنيع الطبقي المتزايد) ، كما أصبح من الممكن دراسة هذا المجال أيضًا وليس تطبيقه فحسب.
ما هو المقصود ب 3d printing وما هي استخدامات الطباعة ثلاثية الأبعاد وفوائدها في مختلف المجالات، دراسة هذه التقنية وأسعارها والكثير من التفاصيل ستعرفها من خلال هذا المقال.
ما هي الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D PRINTING؟
طباعة ثلاثية الأبعاد، التصنيع بالإضافة أو الطباعة التجارية أو طباعة ثري دي، هذه المصطلحات جميعها تدور حول تقنية تكنولوجية واحدة تهدف إلى إنتاج منتجات ثلاثية الأبعاد تحاكي الواقع باستخدام تصاميم تم إعدادها عبر الحاسوب.
هذه التقنية محوسبة بالكامل وتقوم على ركنين أساسين: تصميم ثلاثي الأبعاد بمساعدة الكومبيوتر (CAD)، بالإضافة إلى ماسحة ضوئية أو ما يعرف بالطابعة.
تقوم الطابعة ثلاثية الأبعاد بإنتاج المجسمات الهندسية من خلال طباعة الطبقات بشكل متتالٍ(التصنيع الطبقي المتزايد). كل طبقة من هذه الطبقات تشكل شريحة رفيعة للغاية ولكن تكرارها بشكل مرتب يعطيها الشكل النهائي المطلوب.
بالطبع تختلف هذه التقنية عن الطريقة التقليدية في الصناعة والتي يدخل فيها عدد من الآلات لضبط الشكل النهائي والتخلص من الزوائد.
في هذه التقنية يتحول المنتج من تصميم إلى مجسم حقيقي دون استخدام الكثير من الآلات. دون وجود نتوءات أو زوائد يجب ازالتها، تقلل هذه التقنية من إهدار المواد الخام.
تستخدم الكثير من المواد في إنتاج المجسمات، على سبيل المثال:
- المعادن.
- الصمغ ( الراتنج).
- السيراميك.
- المواد الحرارية.
تاريخ تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد / الثورة الصناعية الثالثة
بدأ تطوير هذه الفكرة على يد المكتشف الياباني هيديو كوداما في معهد الأبحاث الصناعية بمدينة ناغويا.
توصل العالم إلى طريقة التصنيع المضاف والتي بدورها أنتجت المجسمات ثلاثية الأبعاد من مجرد تصميم محوسب. بعد ذلك حصل رالف بيكر على براءة اختراع وحقوق ملكية لهذه الصناعة في حقبة 1920.
لكن عمل هيوديو لم يكتمل حتى تتابعت الاكتشافات والتطويرات في عام 1981 حتى تم التوصل إلى ستيريوليثغرافي (stereo lithography) في 1984فكانت أول جهاز يعمل بتقنية التصنيع بالإضافة.
بعد ذلك، انتج المخترع المعروف تشاك هول أول طابعة ثري دي في 1987. بعد ذلك تم تطوير العديد من الأجهزة وتم إدخال الليزر لمجال تقنية 3D PRINTING.
في بداية فترة ال 2000 حصلت ثورة تكنولوجية هائلة وتم تطوير أنظمة جديدة لهذه التقنية ولكنها كانت باهظة الثمن بشكل كبير. انتهى دفع الاستحقاق المالي المتعلق بحقوق الملكية في 2009 وهذا ما ساهم في انخفاض الأسعار، ساهم هذا بدوره في فتح المجال نحو استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أكبر.
يمكنك القراءة أيضًا حول: أرخص هواتف الجيل الخامس 5G لعام 2021
مميزات وعيوب 3D PRINTING
نذكر من مميزات الطباعة ثلاثية الأبعاد ما يلي:
- مكننا من الحصول على منتجات موصى عليها بشكل خاص وبسعر مميز دون أن يضيف التصميم الهندسي لإنتاج عدد محدود من القطع المنتجة قيمة مضافة.
- تعتبر المنتجات المعدة بهذه التقنية أرخص من غيرها لعدم وجود ضائع في المواد الخام.
- يكون سعر بدء الصناعة معقولًا. يرجع ذلك لعدم الحاجة للقوالب الجاهزة كما في الصناعة التقليدية.
- متخصصة بشكل كبير وذلك لأنها تعتمد على التصميم المحوسب مما يجعل تعديلها كما يطابق المواصفات المطلوبة سهلًا وممكنًا. وفي حال اكتشاف أي خطأ في التصميم لا يكون حل المشكلة مكلفًا.
- مثالية لإنتاج النموذج الأولي للمنتج لاختباره بسبب سهولة وسرعة انتاج التصميم وتطبيقه.
- امكانية انتاج مواد ذات خصائص محددة. على الرغم من أن البلاستيك والحديد هي أكثر المواد المستخدمة ألا أنه يمكن تغيير خصائص المواد لتصبح أكثر مقاومة للحرارة وعازلة للماء وذات قوة وتحمل أعلى .
هناك عيوب لهذه التقنية بالتأكيد كغيرها من التطورات. نذكر منها:
- قد يكون المنتج المصنع بهذه التقنية أضعف من المنتج المصنع بصورة تقليدية. يرجع السبب إلى كون المنتج يتكون من طبقات متتالية ملتصقة فوق بعضها مما يضعف من قوته.
- لا يمكن استخدامها في الانتاج الضخم، إذا كان عدد وحدات المنتج المطلوب كبيرًا تزداد التكلفة عن الصناعة التقليدية.
- اختلاف الدقة باختلاف الطابعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة. بعض الطابعات أقل جودة من غيرها ولهذا قد نحصل على أشكال مختلفة من التصميم نفسه وبدقة متفاوتة.
- قد تحتاج المنتجات إلى معالجة ما بعد التصنيع لإزالة بعض النتوءات أو التوصيلات التي كانت تربط المنتج بالطابعة أو معالجة بالحرارة لتحسين المواصفات والشكل النهائي.
مجالات استخدام طباعة 3D
نظرًا لاتساع نطاق التصاميم الممكن إعدادها وتنوعها، نجد أنه يمكن تطبيق هذه التقنية في العديد من مجالات الصناعة.
1- صناعات مجال الفضاء الجوي
تدخل تقنية طباعة ثري دي في صناعة أجهزة الفضاء بسبب امكانيات الطباعة ثلاثية الأبعاد في إنتاج مجسمات ذات تصميم هندسي معقد كالترسانة ذات الشفرات (blisks).
كما أنه يمكننا من انتاج الأجهزة كقطعة واحدة بدلًا من أن تكون قطع متفرقة يتم تجميعها معًا.
2- صناعة السيارات
من أوسع مجالات هذه التقنية استخدامها في صناعة المركبات بسبب ما توفر من تقليل وزن السيارات بسبب عدم وجود قطع توصيل مما يقلل من التكلفة أيضًا.
كما أن هذه الطريقة مثالية لإنتاج قطع صغيرة جديدة من أجل التجريب والفحص قبل البدء في التصنيع الضخم. في حال وجود نقص في قطع معينة يتم إنتاجها بسرعة بفعل التصميمات الجاهزة.
3- المجال الصحي
الأجهزة الطبية وزراعة القطع البديلة لابد من أن تتناسب مع مواصفات جسم الإنسان. إذًا هذه التقنية ممتازة لمراعانها الفروق الفردية بين الأشخاص.
عند زراعة أجهزة لضعف السمع، يتم اختيار التصميم الذي يلائم المريض حسب مواصفاته. ليس هذا فحسب، قام د.جيدو جابريلو Guido Grappiolo بصناعة كأس دلتا تي ( Delta-TT Cup )وهي تصميم محاكي لتركيب رأس العظام الطبيعي وتدخل مادة التيتانيوم في تصنيعه مما يحفز نمو العظام حول الجهاز المزروع.
بعض الأشخاص الذين زرعوا العظام المصممة بتقنية دلتا تي ما زالت تمتاز بالقوة نفسها حتى بعد مرور عقود على استخدامها.
اقرأ المزيد: هل فيتامين د مفيد لآلام الظهر Vitamin D
هل سمعت سابقًا عن الجبيرة ثلاثية الأبعاد القابلة للغسل 3D printed & washable cast ؟
من التطورات التي ساهمت فيها الطباعة ثلاثية الأبعاد في المجال الطبي، صناعة جبيرة ثري دي لكل مريض بشكل خاص.
هذه الجبيرة لا تحتاج إلى تغطيتها أثناء الاستحمام بسبب طبيعتها البلاستيكية. لا شك في أنها أكثر راحة وأسهل في الاستخدام كما أنها تمكنك من استخدام يدك بحرية أكبر من الجبيرة التقليدية.
أما حول مدى نجاحها في شفاء الكسور والتحام العظام فلا نتائج أكيدة تشير لأفضليتها عن الجبيرة القديمة. يفضل الأخصائيين استخدام التقليدية بالطبع بسبب طول سنوات خبرتهم في التعامل معها.
استخدام الجبيرة ثلاثية الأبعاد يراعي الفروق الجسمانية للأفراد وهذا يعطيها ميزة إضافية. ولكنها باهظة الثمن بشكل كبير وهذا ما يجعلها غير متداولة في المستشفيات والمراكز الطبية العامة.
من المتوقع أن يحقق استخدام الجبيرة ثلاثية الأبعاد ثورة صناعية طبية هائلة إذا حققت فعاليتها على التحام العظام. وذلك لأنها تخلصنا من الجبيرة القديمة ذات الوزن الثقيل والتي تحد من حركتنا وارتداء الملابس كما يمكن أن تسبب الحساسية وضعف العضلات بسبب عدم الاستخدام.
4- مجال التعليم
مكنت 3D PRINTING الطلاب من تحويل أفكارهم إلى منتجات حقيقية ملموسة كما يلاحظ أن هناك حرص متزايد على دراسة الطباعة ثلاثية الأبعاد وإعطاء الدورات المكثفة في مجالها.
إذا كنت تتساءل حول دراسة الطباعة ثلاثية الأبعاد فستحصل على الإجابة هنا.
بدأت العديد من الجامعات في دمج التصنيع بالإضافة إلى منهج الدراسة المعتمد في شتى المجالات.
يتم البدء بدمج آلية الطباعة ثلاثية الأبعاد خلال السنة الثالثة أثناء الدراسة وتوظيفها في المجالات الهندسية والعلوم التطبيقية.
يتم تعليم الطلاب من الصفر حول صناعة طابعات ثلاثية الأبعاد تتلائم مع نماذج طباعة 3d التي سيقومون بإعدادها وهذا يتطلب دراية كافية بالوحدات التي يمكن انتاجها عبر هذه التقنية لكي يتمكن الطلاب من الربط بين العلم وبين الطباعة ثري دي.
لابد من أن تقوم الطابعات المستخدمة من تحقيق النظريات العلمية بطريقة فعالة وهذا ما يتم تعليم الطلاب حوله.
من أشهر جامعات العالم التي وضعت برامج دراسة الطباعة ثلاثية الأبعاد حول العالم:
- معهد ماساتشوستس التقني (MIT) يمنح ذهذا المركز درجات عليا في هذا المجال.
- جامعة تكساس.
- جامعة فرجينيا التقنية.
بالإضافة لذلك، هناك مجالات واسعة أخرى يتم استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد فيها مثل: صناعة سكك الحديد والروبوتات و في الصناعات البلاستيكية المختلفة.
كيف تعمل الطابعة ثلاثية الأبعاد؟
يقوم مبدأ عمل هذه التقنية على التصميم الجاهز المحوسب والذي يتم طباعته، وعلى الطابعة التي تقوم بتحويل التصميم لمنتج ملموس وحقيقي.
تقوم الطابعة بترجمة البرمجيات المستخدمة داخل التصميم ونقله طبقة تلو الأخرى بشكل متتابع كما تستخدم لذلك المساحيق أو المواد الخام كما أنها قد تحتاج إلى قطع صغيرة للترابط يتم وضعها داخل الطابعة لإنتاج جسم ثلاثي الأبعاد.
تمتاز الطابعات الموجودة بمرونتها من حيث طبيعة المواد التي تستخدمها في التصنيع، بالإضافة للسرعة والدقة في العمل.
الأهم من ذلك هو قدرتها على طباعة التصاميم المختلفة واختبار دقة التصاميم من خلال إنتاج نموذج أولي سريع.
إذا كنت تتساءل عن سعر طابعة ثلاثية الأبعاد للبناء مثلًا فقد يصل سعر بعض أنواعها إلى عشر ألاف دولار تبعًا لحجمها وقدراتها واستخداماتها. لكن كغيرها من الاكتشافات الأخرى سينخفض سعرها كلما تم إنتاج أنواع أسرع وأحدث وأكثر دقة.
لقد تم تطوير الكثير من الطابعات في الوقت الحالي لإنتاج عدد كبير من الوحدات وليس مجرد نماذج أولية أو بضائع مخصوصة. يعتقد أن هذه التقنية ستساهم في تقليل تكلفة الصناعات المختلفة وتجعلها أسرع بعشر مرات من الصناعة التقليدية.
تتسع المجالات التي يمكن أن تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد فيها، في الوقت الحالي يتم تصنيع أقنعة الوقاية من كوفيد 19 بواسطة طابعة ثري دي.
ما يميز هذه التكنولوجيا من المرونة وقابلية التعديل وقدرتها على التكيف مع المستجدات سيجعل إدخالها إلى أي صناعة قادر على قلب الموازين وهذا ما يتوقع الجميع حدوثه.
اقرأ المزيد: الذكاء الاصنطاعي في تطوير المواقع الالكترونية
