توفر الطباعة الثلاثية الأبعاد فرصًا غير مسبوقة للتصنيع في العديد من الصناعات في جميع أنحاء العالم. وعلى مدى التاريخ، مرت الصناعات التحويلية بأسماء مختلفة، ولكن الطباعة الثلاثية الأبعاد كانت الأكثر شهرة. ولكن كيف تعمل؟
الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D Printing هي إحدى طرق التصنيع الحديثة (التصنيع بالإضافة) حيث يمكن تصنيع منتج ثلاثي اﻷبعاد مجسم وملموس من خلال تصميمه على الحاسوب ومن ثم طباعته (تصنيعه) وممكن نطلق عليها اسم آخر هو التصنيع التجميعي (Additive Manufacturing (AM.
المبدأ العام في الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D Printing واحد حيث إنه تتم عملية الطباعة من خلال رص طبقات المادة (الخامة) فوق بعضها البعض حتى يكتمل شكل الجسم المطلوب وتستخدم في مجالات عديدة منها الطيران والفضاء والهندسة والطب والبناء والتعليم والترفيه مثل طباعة الطعام والإكسسوارات.
مفهوم الطباعة ثلاثية الأبعاد
يمكن تعريف الطباعة ثلاثية الأبعاد بأنها تلك التقنية التي تعتمد على إنتاج أشكال ذات درجة عالية من التعقيد بأقل ما يمكن من المواد المستخدمة في التصنيع بالطرق التقليدية.
أي أنها عمليةُ تصنيع مواد جديدة بالاعتماد على ملفاتٍ رقمية بواسطة برامج حاسوبية، ويشار إلى أنها عملية تكوين أنموذج مطبوع بواسطة إضافة طبقة تلو الأخرى من المواد للخروج في نهاية المطاف إلى مادة ثلاثية الأبعاد، بحيث تظهر على شكل شرائح أو مقاطع أفقية.
ولقد ارتبط مصطلح الطباعة في أذهان الكثيرين بالمنتجات ذات البعدين وبتقنيات الزخرفة سواء على الورق أو النسيج أو حتى طباعة الصور، ولكن أن 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 إلى 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 أو شكل هندسي وبعدة خامات مثل الخزف، المعادن، البوليمرات، والعديد من المركبات الأخرى. ولقد ابتكر إمانويل ساكس تقنية الطباعة الثلاثية الأبعاد عام 1993 وما زال تطويرها مستمرا حتى يومنا هذا.
مبدأ الطباعة
الخطوة الأولى لطباعة مجسم ثلاثي الأبعاد هو بناء النموذج ثلاثي الأبعاد أو ما يسمى ملف " STL"، حيث يمكن الحصول عليه من الماسح الضوئي ثلاثي الأبعاد، أو من خلال تصميمه بإحدى البرامج المخصصة لذلك مثل "3D MAX, Google Sketchup, Autocad … ".
وبعد ذلك تأتي الخطوة الثانية وهي فحص الملف من الأخطاء في التصميم مثل عدم اتصال النقاط، حيث أن هذه الملفات بالعادة تحتوي العديد من هذه الأخطاء، خاصة تلك النماذج المأخوذة من الماسح الضوئي ثلاثي الأبعاد، وتسمى هذه العملية بعملية التصحيح.
ومن ثم في الخطوة الثالثة يتم إرسال النموذج المصحح إلى ما يسمى بالمقطع "Slicer"، حيث يقوم هذا البرنامج بتقطيع النموذج إلى مجموعة كبيرة من الطبقات الرقيقة جدًا "شرائح" قد يتجاوز عددها ألف طبقة، ويسمّى الملف الناتج من هذه العملية ملف "G-Code"، وهو يحتوي على مجموعة من التعليمات والأوامر التي تساعد الطابعة على إنجاز العمل بالكفاءة المطلوبة.
بعد ذلك يرسل الملف إلى الطابعة لتنفذه بناءً على التكنولوجيا المستخدمة في الطابعة، وفي النهاية يدخل المجسم الناتج في عملية التنظيم والتنعيم لإزالة الحواف والأجزاء غير المرغوب بها.
كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
تبدأ عملية الطباعة الثلاثية الأبعاد بعمل نموذج مصوّر للجسم المراد طباعته، وعادة ما يصمم باستخدام مجموعة برمجيات أبرزها تكنولوجيا التصميم بمساعدة الحاسوب. ومن بين الفوائد الرئيسية للطباعة الثلاثية الأبعاد أنها تسمح بإعداد نموذج أولي سريع لأي شيء تقريبًا.
بعد التصميم، تقوم المرحلة التالية على تقطيع النموذج رقميًّا لطباعته. وتعتبر هذه الخطوة حيوية لأن الطباعة الثلاثية الأبعاد لا يمكنها وضع تصوّر نموذج ثلاثي الأبعاد بالطريقة نفسها التي يتصوره بها الشخص العادي، إذ تقسم عمليّة التقطيع النموذجَ إلى طبقات متعددة، ثم يُرسل التصميم الخاص بكل طبقة إلى رأس الطابعة للطباعة أو الترتيب.
وأورد الكاتب أن الطابعات الثلاثية الأبعاد قادرة على طباعة مواد قوية بكثافة منخفضة من خلال الإضافة المحسوبة لجيوب الهواء داخل المنتج النهائي. فبمجرد أن ينهي برنامج التقطيع مهمته، تُرسل البيانات إلى الطابعة للمرحلة النهائية.
بعبارة أخرى، تبدأ الطابعة الثلاثية الأبعاد في طباعة النموذج وفقًا للتعليمات المحددة لبرنامج التقطيع باستخدام طرق مختلفة، وذلك اعتمادًا على نوع الطابعة المستخدمة.
فمثلا، تستخدم الطباعة الثلاثية الأبعاد المباشرة تقنية مشابهة لتقنية النفث الحبري المستخدم في طابعات الورق، حيث تتحرك الفوهات إلى الأمام والخلف، وإلى الأعلى والأسفل لتوزيع الشمع السميك أو البوليمرات البلاستيكية التي تتصلّب لتكوين كل مقطع عرضي جديد للجسم الثلاثي الأبعاد.
أما في الطباعة الثلاثية الأبعاد الموثّقة فتطبّق فوهاتُ النفث الحبري مسحوقا جافا ناعما وغراء سائلا يجتمعان معًا لتكوين كل طبقة مطبوعة.
وفي طباعة البلمرة الضوئية، تتعرض قطرات من البلاستيك السائل لشعاع ليزر من الأشعة فوق البنفسجية يحوّل السائل إلى صلب.
ويعتبر "التلبيد" تقنية أخرى للطباعة الثلاثية الأبعاد تتضمن ذوبان الجزيئات ودمجها معًا لطباعة كل طبقة متتالية. وتعتمد هذه التقنية على الليزر لإذابة مسحوق البلاستيك المثبط للهب، الذي يتصلب بعد ذلك لتشكيل الطبقة المطبوعة. بشكل عام، قد تستغرق عملية الطباعة الثلاثية الأبعاد ساعات أو حتى أيامًا، وذلك استنادا إلى حجم المشروع وتعقيده.
وبغض النظر عن نوع الطابعة الثلاثية الأبعاد المستخدمة، تكون عملية الطباعة الإجمالية هي نفسها عادةً، ويمكن تلخيصها بهذه الخطوات:
- إنتاج نموذج ثلاثي الأبعاد باستخدام برنامج التصميم بمساعدة الحاسوب.
- تحويل الرسم المصمّم بالحاسوب إلى لغة التغطية بالفسيفساء القياسية.
- نقل الملف إلى الحاسوب الذي يتحكم في الطابعة الثلاثية الأبعاد، ومن ثمّ يختار المستخدم حجم الطباعة واتجاهها.
- إعداد الطابعة الثلاثية الأبعاد، إذ كل جهاز له متطلباته الخاصة.
- تبدأ الطابعة في العمل، بينما ينتظر المشغل حتى يكتمل البناء. ويجب فحص الجهاز بانتظام خلال هذا الوقت للتأكد من عدم وجود أي أخطاء.
- إزالة الشكل المطبوع من الجهاز.
- تمثّل الخطوة الأخيرة مرحلة ما بعد المعالجة، إذ تتطلب العديد من الطابعات الثلاثية الأبعاد نوعا من المعالجة اللاحقة، مثل تنظيف أي مسحوق متبقٍ، كما قد يحتاج التصميم الجديد إلى المعالجة.
ماذا يمكنها أن تصنع؟
الطابعات الثلاثية الأبعاد متعددة الاستخدامات بشكل لا يصدق، إذ يمكنها -نظريا- صنع أي شيء تقريبا، لكنها محدودة بسبب أنواع المواد المستخدمة وحجم التصميم. كما تستطيع الطباعة باستعمال البلاستيك والإسمنت والمعدن وحتى الخلايا الحيوانيّة، لكن معظم هذه الطابعات مصمّمة لاستخدام نوع واحد فقط من هذه المواد.
من بين الأشكال التي تستطيع الطابعة الثلاثية الأبعاد صنعها، هناك الأطراف الاصطناعية وأجزاء الجسم الأخرى، والمنازل والمباني الأخرى، والطعام والدواء والملابس، إلى جانب الأجهزة الطبية.
ما أنواع البرامج التي تستخدمها؟
تستخدم برامج التصميم بمساعدة الحاسوب المختلفة مجموعة متنوعة من صيغ الملفات، لكن الأكثر شيوعا هي الصيغ التالية:
- "أس.تي.أل" (STL): وهي عبارة عن صيغة ثلاثية الأبعاد يمكنها التعامل مع لون واحد فقط، وعادة ما تستخدم في معظم الطابعات الثلاثية الأبعاد المكتبيّة.
- لغة نمذجة الواقع الافتراضي "في.آر.أم.أل" (VRML): وهي صيغة ملف حديثة تستخدم عادة للطابعات التي تحتوي على أكثر من جهاز نفث واحد، كما يمكنها بناء نماذج متعددة الألوان.
- "جي.كود" (G-Code): وهي صيغة ملف يمكن أن تحتوي على إرشادات مفصلة للطابعة الثلاثية الأبعاد تساعدها على متابعة عمليّة بناء كل قطعة.
- صيغ أخرى: إذ تمتلك بعض الشركات المصنعة لأنواع أخرى من الطابعة الثلاثية الأبعاد صيغ ملفات خاصة بها.
كيفية عمل الطابعات ثلاثية الأبعاد
تمر عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد بعدة مراحل، وتتمثل بما يلي:
- الاستعانة بالبرامج الحاسوبية لبناء مجسم ثلاثي الأبعاد: يلجأ المصمم إلى استخدام العديد من البرامج الحاسوبية لرسم المجسم مَبْدَئِيًّا قبل تحويله إلى نموذج ثلاثي الأبعاد، وغالبًا ما تكون الاستعانة بالأوتوكاد والبرامج المتخصصة بذلك.
- تكوين نموذج ثلاثي الأبعاد: تبدأ في هذه المرحلة خطواتُ إنشاء النموذج بوضع طبقةٍ تلو الأخرى ليخرج من إطاره الرقمي ويصبح مَادِّيًّا باستخدام الطابعة.
- المباشرة في صنع المجسم ثلاثي الأبعاد: في هذه الخطوة يبدأ تكوينه فِعْلِيًّا من خلال إضافة طبقة تلو طبقة لتشكيل مجموعة من الطبقات فوق بعضها البعض، ويبدأ الشكل بالتكون بطريقةٍ معينةٍ قد تم برمجة الطابعة عليها.
- تقطيع المجسم إلى طبقات رقيقة ثنائية الأبعاد: الآن، يبدأ جهاز الطباعة ثلاثية الأبعاد (طابعة 3D) بتنفيذ الأوامر والتعليمات الموجهة إليها من البرنامج، بحيث يتم تقسيم النموذج وتقطيعه إلى طبقاتٍ ثنائية الأبعاد تمتاز بأنها رقيقةٌ جِدًّا، ومن ثم الانتقال إلى مرحلة إضافة المزيد من الطبقات.
- إذابة الطبقات الرقيقة البلاستيكية والمعدنية: غالبًا ما يتم تنفيذ هذه الخطوة في آلات وطابعات SLS المستخدمة في المصانع الكبيرة، بحيث تعتمد على الليزر في إذابة الطبقات الرقيقة.
- الانتهاء من الطباعة ثلاثية الأبعاد: لا يعد الأمر سهلًا وسريعًا إطلاقًا؛ ففي الواقع إن الأمر يحتاج إلى استغراقِ وقتٍ يتفاوت ما بين 4-18 ساعةً على الأقل حسب نوع المجسم والمواد المستخدمة فيه.
أنواع الطابعات ثلاثية اﻷبعاد
- الطابعات الضوئية مثل الطابعات التي تعمل عبر تقنيات SLA , DLP.
- طابعات الليزر مثل الطابعات التي تعمل عبر تقنيات SLS , SLM
- طابعات الثرموبلاستيك أو البناء بالترسيب المنصهر(FDM) (وهي الأكثر انتشاراً) وسوف نشرح خطواتها من البداية إلى أن يصبح منتج.
خطوات الطباعة ثلاثية اﻷبعاد (طابعات الثرموبلاستيك)
أولاً: تصميم المنتج
من أشهر برامج التصميم ثلاثي الابعاد ومفتوحة المصدر وتعمل على أي نظام تشغيل:
١) بلندر Blender
رابط الموقع الرسمي: https://blender.org
مصادر للتعلم:
- كورس تعلم برنامج بلندر Blender باللغة العربية علي يوتيوب يحتوي علي 80 فيديو تعليمي.
- من افضل دورات يوديمي لتعلم بليندر : Learn Animation Production with Blender 2.9 بمعدل 11 ساعه تدريبية ويحتوي علي 62 درس ويضم اكثر من 960 طالب.
٢) أوبن إس كاد OpenSCAD
رابط الموقع الرسمي: https://openscad.org
مصادر للتعلم:
- كورس تعلم أوبن إس كاد OpenSCAD دورة علي اليوتيوب باللغة الإنجليزية، لم اجد له أي محتوي عربي لشرحة.
- كورس من يوديمي: Introduction to 3D Modeling with OpenSCAD بمعدل 30 دقيقة ويحتوي علي 20 فيديو تعليمي ويضم اكثر من 1200 طالب.
٣) تينكر كاد (موقع ويب من تطوير أوتو ديسك) Tinkercad
رابط الموقع الرسمي: https://tinkercad.com
مصادر للتعلم:
- كورس تعلم برنامج Tinkercad مجموعة فيديوهات بسيطة لتعلم اساسيات البرنامج، وللأسف المحتوي العربي ضعيف جدا في مثل هذه البرامج.
- من افضل واكثر دورات يوديمي مبيعا: 3D Printing and Tinkercad Crash Course بعدد طلاب تجاوز 1500 طالب ولمدة ساعتين وتحتوي علي 14 درس.
بعد الانتهاء من التصميم يتم حفظ الملف بصيغة (.Stl) وهي الصيغة المدعومة في الطباعة ثلاثية الابعاد. إذا لم يكن لك خبرة في برامج التصميم فهناك الكثير من المواقع التي تتيح تحميل تصاميم جاهزة للطباعة مجانا.
ومن أشهر هذه المواقع:
ثانيا: تحويل التصميم إلى كود تفهمه الطابعة (جي كود G Code)
الطابعة ثلاثية الابعاد عبارة عن آلة ميكانيكية (هيكل ومحركات) متصلة بجزء إلكتروني (وهو المتحكم في حركة الآلة بالكامل) والتي لا تفهم معنى هذه التصاميم وهنا يأتي دور البرامج الوسيطة التي تحول التصميم إلى كود يفهمه المتحكم.
الجي كود عبارة عن ملف يحتوي على جميع الأوامر التي ستنفذها الطابعة حتى تنتهي من تصنيع المنتج.
ومن أهم هذه الأوامر :
- درجة حرارة انصهار المادة الخام
- سمك الطبقة الواحدة
- عدد الطبقات المستخدمة
- كمية المادة الخام المستخدمة
- حجم المجسم
- عدد النسخ المطلوبة
- سرعة الطباعة
من أشهر البرامج مفتوحة المصدر والتي تعمل على أي نظام تشغيل و تحول التصميم إلى الجي كود بخطوة بسيطة جدا وسريعة:
1) برنامج slic3r
رابط الموقع الرسمي: https://slic3r.org
مصادر للتعلم: شرح طريقة استخدام برنامج slic3r مجموعة فيديوهات باللغة الإنجليزية تشرح البرنامج وإعداداته وطريقة تشغيله.
2) برنامج cura
رابط الموقع الرسمي: https://ultimaker.com
مصادر للتعلم:
- تعلم استخدام برنامج Cura لـ تجهيز طابعات الـ 3D ثري دي للطباعة فيديو علي اليوتيوب لشرح كيفية التعامل مع البرنامج
- كورس من يوديمي: Printing 3D using Cura بمعدل ثلاث ساعات ونصف ويحتوي علي 25 درس.
3) برنامج kisslicer
رابط الموقع الرسمي: http://kisslicer.com
ثالثا : تجهيز الطابعة وتحميل الجي كود إلى الطابعة
يتم توصيل الطابعة بالحاسوب ونقل ملف الجي كود عن طريق برنامج برونترفيس Pronterface أو برنامج كيورا Cura وهو مسؤول عن التحكم في الطابعة أثناء التشغيل.
يتم تسخين الطابعة لإدخال المادة الخام (تكون غالباً على هيئة بكرة من الخيوط -Filament) ثم يتم ضبط نقطة البداية وتثبيت سطح الطباعة جيدا ويتم تحميل الجي كود في برنامج برونترفيس أو كيورا ورفعه إلى بطاقة الذاكرة.
رابعا: عملية الطباعة نفسها
تقوم الطابعة أولاً برسم وتحديد الاطار الذي ستعمل فيه ثم تقوم برسم وتكوين الطبقة الأولى ثم تملأ الطبقات التالية حتى تصل إلى الطبقة الأخيرة.
خامسا: تشطيب الطباعة
غالبا ما يكون هناك أخطاء بسيطة مثل عدم التصاق طبقتين أو تكون بعض الزوائد ويتم التغلب عليها باستخدام أداة قاطعة، يتم لصق الأجزاء المركبة في بعض الأحيان بالغراء. في النهاية يمكن تلوين المنتج بألوان مختلفة عن المادة الخام.
مميزات الطباعة ثلاثية اﻷبعاد
- التخصيص: أهم ما يميز تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد هو التخصيص بمعنى أنك تنتج كل شيء بالشكل الذي تريده وبالتعديل الذي يناسبك.
- إنتاج مركبات أكثر تعقيدا: باستخدام طريقة الطبقات الصغيرة يمكن إنتاج مركبات معقدة جدا لا يمكن إنتاجها بالطرق الصناعية التقليدية
- توفير الوقت والجهد: يمكنك تصنيع منتجك بضغطة زر فقط بدلاً من الصناعة بواسطة القوالب والآلات والأيدي العاملة ذات الخبرة.
تطبيقات الطباعة ثلاثية اﻷبعاد واستخداماتها
في مجال الطب
- التشخيص فبعد الأشعة التليفزيونية والرنين والموجات الصوتية الآن تستخدم الطباعة ثلاثية اﻷبعاد في طباعة الجزء المصاب ليتحول إلى مجسم ملموس وتشخيص الأمراض الأكثر تعقيدا مثل السرطانات أيضا في علم الأجنة للكشف عن التشوهات.
- الأجهزة التعويضية والأطراف الصناعية يمكن تصنيع أطراف صناعية وأجهزة تعويضية أقل تكلفة من الطرق التقليدية ما يمكن استبدال العظام التالفة والمتآكلة وكذلك المفاصل.
- التعلم حيث يتم صناعة نماذج مماثلة تماما للجسم البشري للدراسة عليها.
- صناعة الأجهزة الطبية والأدوات الجراحية.
في مجال الروبوتات والإلكترونيات
تصميم هياكل جميلة للروبوتات والإلكترونيات بكل سهولة وبما يناسبك.
في مجال النماذج الاختبارية
يستخدم المعماريون اليوم الطباعة ثلاثية اﻷبعاد في تصنيع نماذج مصغرة لمشاريعهم الإنشائية.
في مجال الأحذية والملابس
تستخدم مواد خام معينة ومرنة في صناعة الملابس ثلاثية اﻷبعاد كما يمكنك طباعة الحذاء الذي تريد وأنت في منزلك.
في مجال السيارات
تستخدم الطباعة ثلاثية اﻷبعاد الآن في صناعة هياكل السيارات بشكل تجريبي.
في مجال المجوهرات والأكسسوارات
في مجال الفن
الآن تصنع أفخم التحف المعقدة جدا باستخدام الطباعة ثلاثية اﻷبعاد.
في مجال الفضاء
لإنتاج قطع غيار للمركبات الفضائية
في مجال التعليم
صناعة نماذج للدراسة مما يسهل تعلم كثير من العلوم مثل التركيب والتفاعلات الكيميائية والميكانيكا والتشريح
في مجال صناعة ألعاب الأطفال
من أسهل وأمتع تطبيقات الطباعة ثلاثية اﻷبعاد أن تصنع لعبة لطفلك بنفسك بضغطة زر
في مجال الأغذية
للتحكم في نسب المكونات والشكل الجمالي. وفي النهاية المجال مفتوح أمامك للابتكار لا حدود لتطبيقات الطباعة ثلاثية اﻷبعاد سوى مخيلتك
مصادر للتعلم
- 3D Printing and Modelling Workshop مجموعة دروس باللغة الإنجليزية علي يوتيوب.
- 3D Printing Tutorials مجموعة من الدروس في الطباعة ثلاثية الأبعاد باللغة العربية علي يوتيوب.
- كورس من يوديمي: 3D Printing: From Start to Finish بمعدل 5 ساعات ونصف ويحتوي علي 63 درس في كل تفاصيل الطباعة ثلاثية الابعاد.
- كورس آخر من يوديمي: 3D Printing from Zero to Hero in Blender 2.9x - 3D Design بمعدل 5 ساعات ونصف يحتوي عل 59 درس شامل كل أجزاء الطباعة ثلاثية الابعاد
وأخيرا انفوجرافيك عن الطباعة ثلاثية الابعاد
المصــادر :
الي هنا نكون قد انتهينا، نراكم في موضوع آخر، فلا تنسونا من نشر المقال لتعم الفائدة.