مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد | الوحدة الثالثة | الدرس الأول
مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد هو عنوان الدرس الأول من الوحدة الثالثة التي تحمل اسم “التصميم والنمذجة الأولية” من مقرر “التصميم الهندسي”.
ستتعرف في هذا الموضوع على أساسيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، وأنواعها، ومزايا تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد وعيوبها، واستكشاف المواد المُستخدَمة للطباعة، والتعرُّف على تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتطبيق عملية طباعة نموذج ثلاثي الأبعاد.
قم بقراءة نواتج التعلُّم جيدًا، ثم أعد قراءتها بعد انتهائك من دراسة الموضوع والتأكُّد من تحصيل محتواها.
أهداف التعلُّم
- معرفة تاريخ الطباعة ثلاثية الأبعاد، وأنواع الطابعات.
- تحديد مزايا تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد وعيوبها.
- استكشاف المواد المختلفة للطباعة ثلاثية الأبعاد.
- تحديد فوائد الطباعة ثلاثية الأبعاد.
- استكشاف تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد.
- تطبيق الطباعة لنموذج ثلاثي الأبعاد.
هيا لنبدأ!
أساسيات الطباعة ثلاثية الأبعاد (Basics of 3D Printing)
تقوم الطابعات ثلاثية الأبعاد بإنتاج مجسمًا واقعيًّا من ملف النموذج الرقمي ثلاثي الأبعاد، عن طريق تطبيق عدة طبقات رقيقة من المواد المحدَّدة بالتتابع، وتكمُن الخطوة الأولى في الطباعة ثلاثية الأبعاد في إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للمُجسَّم المطلوب طباعته، ويمكِنك تصميم هذا النموذج باستخدام برنامج خاص بالنمذجة ثلاثية الأبعاد، أو بمسح المُجسَّم باستخدام ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد.
وتختلف المُخرَجات وفقًا لنوع الطابعة والمواد المُستخدَمة، وتعدُّ لدائن البلاستيك، والمعادن، والسيراميك والرمل من أكثر مواد الإنتاج والنمذجة شيوعًا في الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتجري حاليًا أبحاث متقدمة على استخدام المواد الحيوية لصناعة الأغذية باستخدام هذا النوع من الطباعة، كما تتوفر عدَّة طابعات من هذا النوع بسعر مناسب للمبتدئين.
يستخدِم المهندسون أو المُصمِّمون الطابعات ثلاثية الأبعاد لاختبار النماذج الأولية، كما تستخدِم شركات التصنيع هذه الطابعات لتصنيع بعض الأجزاء المعقَّدة لمُنتَجاتها.
إضافة إلى ذلك، يمكِن للأفراد والشركات استخدام هذه الطباعة للتصنيع الذاتي (Do It Yourself – DIY)، حيث يشير هذا المصطلح إلى إنشاء أو بناء شيء ما باستخدام الأدوات والمواد والتقنيات المتاحة بشكل شائع من قِبَل الأفراد، دون الحاجة إلى التدريب المهني أو المعدات المتخصصة؛ مما يتيح للأشخاص تصنيع أشياء ومنتَجات لم يكن بإمكانهم إنشاؤها من قبل.
تعدُّ الطباعة ثلاثية الأبعاد عملية تصنيع دون استخدام اليدين، حيث كان على المهندسين استخدام آلات الحفر والطحن، والمخارط، إضافة إلى تقنيات المحاذاة والقياس، وكذلك معالجة قطع العمل يدويًّا، الأمر الذي كان عُرضة للأخطاء البشرية وواجه تحديات كبيرة في سبيل تحقيق دقة عالية، بينما تسمح الطباعة ثلاثية الأبعاد بإنتاج مجسَّمات معقدة ومركَّبة، مع تقليل احتمالية حدوث خطأ بشري مثل: معايرة سطح الطباعة فيها، وضبط الإعدادات المناسبة لبرنامج المُقطِّع (Slicer) وتحديد إعدادات التصنيع المناسبة.
لمعرفة المزيد من المعلومات عن الطباعة ثلاثية الأبعاد، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:
تاريخ الطباعة ثلاثية الأبعاد (History of 3D Printing)
في الثمانينات كانت الطباعة ثلاثية الأبعاد تسمى بالتصميم السريع للنماذج الأولية (Rapid Prototyping – RP)، ويصف هذا المصطلح عملية إنشاء تمثيل سريع لجزء أو نظام قبل إصداره النهائي أو صناعته على نطاق تجاري، وكانت تلك التقنية تهدُف بشكل أساسي إلى إيجاد طريقة سريعة وفعَّالة من حيث التكلفة لإنشاء نماذج صناعة أولية.
كان الدكتور هيديو كوداما (Hideo Kodama) أول من تقدَّم بطلب براءة اختراع للتصميم السريع للنماذج الأولية (RP)، وذلك في مايو 1980 في اليابان، وكانت الطباعة الحجرية المُجسَّمة (Stereolithography – SLA) أول عملية طباعة تجارية ثلاثية الأبعاد تم تطويرها في الثمانينات.
أنواع الطابعات ثلاثية الأبعاد (Types of 3D Printers)
تعدُّ الطباعة ثلاثية الأبعاد أحد أنواع التصنيع بالإضافة (Additive Manufacturing)، حيث تتم خلالها إضافة المواد طبقة تلو الأخرى لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد، ويتم تصنيف عمليات التصنيع بالإضافة إلى عدة أنواع، وتتضمن عملية صهر طبقة المسحوق (Powder Bed Fusion)، وعملية بثق المواد (Material Extrusion)، وعملية البلمرة (Polymerization)، وتجميع الرقائق (Sheet Lamination)، والربط الطبقي (Binder Jetting)، والترسيب بالطاقة الموجَّهة (Directed Energy Deposition)، حيث تتضمن هذه العمليات ترسيب ودمج طبقات من المواد باستخدام تقنيات مختلفة، مثل: الليزر عالي الطاقة، أو الأشعة الإلكترونية عالية الطاقة، أو التسخين، أو استخدام الصمغ السائل، أو قطع رقائق المواد وربطها، أو ترسيب مادة رابطة، أو صهر وترسيب المواد باستخدام مصدر طاقة مرتفعة.
الطباعة الحجرية المُجسَّمة (Stereolithography)
الطباعة الحجرية المجسَّمة (SLA) هي طريقة تعتمد على الليزر واستخدام أصماغ البوليمرات الضوئية لصنع أجزاء دقيقة، حيث توضع البوليمرات الضوئية في حاوية مع منصة مدعمة قابلة للحركة، وينبعث ليزر ساخن في محتوى X-Y على سطح الصمغ في النموذج ثلاثي الأبعاد؛ مما يؤدي إلى تصلّب الصمغ بشكلٍ دقيق حيث يقع شعاع الليزر، وبمجرد اكتمال الطبقة، تتحرك المنصة والحاوية في المحور Z، ويتتبّع الليزر الطبقة التالية، وتستمر هذه العملية حتى يكتمل النموذج ويمكِن حينها إزالة المنصة.
بعد الطباعة باستخدام هذا النوع من الطابعات، لابد من تنظيف المُجسَّمات التي تم إنشاؤها ومعالجتها، ويتم استخدام إضاءة شديدة في عملية المعالجة من خلال آلية تُشبه الفرن لتقوية الصمغ، وتعدُّ الطباعة الحجرية المجسَّمة واحدة من أكثر تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد دِقَّة وسلاسة، وتظهر بعض التحديات أمام هذه الطريقة في إجراءات المعالجة المطلوبة بعد الطباعة، وهشاشة النموذج مع مرور الوقت، ويوضح الشكل التالي مجسَّمًا مطبوعًا بطريقة الطباعة الحجرية المُجسَّمة.
معالجة الضوء الرقمي (Digital Light Processing)
معالجة الضوء الرقمي (Digital Light Processing – DLP) هي تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد تستخدِم البوليمرات الضوئية، كما هو الحال في الطباعة الحجرية المُجسَّمة (SLA)، مع اختلاف مصدر الإضاءة المُستخدَم في كلٍ منهما.
حيث يتم في هذه التقنية استخدام مصدر إضاءة عام مع لوحة شاشة العرض البلوري السائل (Liquid Crystal Display – LCD) أو جهاز مرآة قابل للتعديل (Deformable Mirror Device – DMD) يتم تطبيقه في مسار واحد على الحاوية التي تحتوي على صمغ البوليمر الضوئي؛ مما يجعلها أسرع من الطباعة الحجرية المُجسَّمة (SLA).
تُنشئ معالجة الضوء الرقمي (DLP) نماذج عالية الدقة، ولكنها تتطلَّب هيكل الدعم ومتطلَّبات ما بعد المعالجة نفسها التي تتطلَّبها الطباعة الحجرية المُجسَّمة (SLA)، وتتميز تقنية معالجة الضوء الرقمي (DLP) بحاجتها إلى حاوية صغيرة من الصمغ فقط؛ مما يُقلِّل من المخلفات ومن نفقات التشغيل، ويوضِّح الشكل التالي عملية الطباعة بمعالجة الضوء الرقمي (DLP).
التلبيد والانصهار بالليزر (Laser Sintering and Laser Melting)
يتم استخدام الليزر في عملية التلبيد والانصهار المعروفة أيضًا باسم تقنية ذوبان الليزر الانتقائي (Selective Laser Melting)؛ لدمج مادة المسحوق المُستخدَم في طباعة الجسم الصلب طبقةً تلو الأخرى، وتعمل حاوية المسحوق كهيكل داعم؛ مما يسمح بتنفيذ التصميمات المعقَّدة.
تُشكِّل المسامية وأوقات التبريد الطويلة أهم التحديات لهذه التقنية، ولكن تم إحراز تقدم في طباعة مجسَّمات بكثافة عالية، كما يمكِن أن يعالج التلبيد بالليزر كلًا من البلاستيك والمعدن، حيث يتطلَّب المعدن ليزرًا بطاقة أكبر ودرجات أعلى، وتنتِج هذه الطريقة أجزاء مطبوعة أقوى من تلك التي تنتِجها الطباعة الحجرية المُجسَّمة (SLA) والطباعة بمعالجة الضوء الرقمي (DLP)، ولكن بدقة ولمعان أقل، ويوضِّح الشكل التالي قطعة من محرك مطبوع بتقنية التلبيد بالليزر.
نمذجة الترسيب المنصهر (Fused Deposition Modeling)
نمذجة الترسيب المنصهر (Fused Deposition Modeling – FDM) هي تقنية اقتصادية ذات تكلفة منخفضة ومتوفرة على نطاق واسع، وتعمل هذه التقنية من خلال إذابة خيوط بلاستيكية يتم ترسيبها طبقة تلو الأخرى على منصة إنشاء باستخدام بيانات ثلاثية الأبعاد، وتتصلَّب كل طبقة وتترابط بمجرد ترسيبها.
تتطلَّب طباعة الأشكال الهندسية المتدلّية (Overhanging Geometries) وجود هياكل دعم، وتفتقر طابعات نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) إلى هذه الهياكل، ولكن يمكِن تجاوز ذلك باستخدام رأسين للبثق في هذه الأنظمة.
يمكِن استخدام رأس بثق ثانٍ تنبعث منه مادة قابلة للذوبان في الماء لإنشاء هياكل داعمة يمكِن التخلُّص منها بعد الطباعة، وكذلك يتم استخدام مواد دعم منفصلة للهيكل يمكِن إزالتها يدويًّا بعد انتهاء الطباعة، وتعدُّ تقنية نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) طريقة دقيقة وموثوقة للطباعة ثلاثية الأبعاد، ولكنها تتطلَّب معالجة لاحقة على نطاق واسع، حيث تتسم بالبطء عند إعادة إنتاج الأشكال الهندسية المُعقَّدة، ويتسبب التصاق الطبقات ببعضها البعض في حدوث خلل في تشكُّل الأجزاء.
تنتِج أجهزة الطباعة بنمذجة الترسيب المنصهر (FDM) المبكرة نماذج أقل دقة، ولكن هناك تحسُّن في دقة النماذج مع كل جيلٍ جديدٍ من هذه الطابعات، ويوضِّح الشكل التالي تروسًا تم إنتاجها بنمذجة الترسيب المنصهر.
الطابعة ثلاثية الأبعاد بالحبر النفَّاث (3D Inkjet Printing)
الربط الطبقي
يقوم الربط الطبقي (Binder Jetting) برش مادة رابطة من مسحوق أساسي لإنشاء طبقة تندمج بطبقة أخرى بشكل انتقائي لإنشاء النموذج النهائي، وبمجرد اكتمال الطبقة، تنخفض قاعدة المسحوق بشكل تدريجي، كما تقوم مسطرة أو شفرة بنشر المسحوق بشكلٍ أملس على القاعدة لتجهيز الطبقة التالية.
تتيح هذه الطريقة إضافة طبقات بألوان مختلفة لإنشاء مجسَّمات بألوان متعدِّدة، وتعدُّ المُنتَجات المطبوعة بهذه التقنية أقل قوة من تلك التي يتم طباعتها بأنواع الطابعات الأخرى، ويتطلّب الحصول على المُنتَج النهائي عملية معالجة وتنظيف لذلك المُنتَج، ويوضِّح الشكل التالي نموذجًا مطبوعًا بالربط الطبقي.
النفث المادي
النفث المادي (Material Jetting) هو طريقة طباعة ثلاثية الأبعاد، يتم بها نفث مواد إنشاء سائلة أو منصهرة من خلال عدة رؤوس نفث، ويعالج الضوء فوق البنفسجي البوليمرات الضوئية السائلة بعد ترسيب كل طبقة.
تسمح هذه الطابعات بإنشاء طبقات متزامنة من عدة مواد، بحيث يمكِن صنع منتَج واحد من مواد ذات خصائص مختلفة، ويَنتُج عن النفث المادي منتَجات ثلاثية الأبعاد دقيقة وسلسة، ويوضِّح الشكل التالي نموذجًا لمكعب معقد مطبوع بطريقة النفث المادي.
الترسيب الانتقائي التدريجي بالطبقات (Selective Deposition Lamination)
تتم الطباعة ثلاثية الأبعاد في تقنية الترسيب الانتقائي التدريجي بالطبقات (Selective Deposition Lamination – SDL) باستخدام ورق الطباعة ومواد لاصقة لطبقات المُجسَّم، حيث تنبعث كمية أكبر من المادة اللاصقة في المنطقة التي ستكون الهيكل الرئيس للنموذج، ويتم إضافة كمية أقل في المنطقة المحيطة التي تعمل كدعم.
يتم إدخال طبقة ورق في الطابعة وتوضع على المادة اللاصقة أعلى الطبقة السابقة، ثم يتم تسخين حاوية التصميم والضغط عليها، فيربط هذا الضغط الورقتين بالمادة اللاصقة، وتعود بعد ذلك حاوية التصميم إلى موضعها الأصلي، حيث تقطع شفرة قابلة للضبط مصنوعة من مادة كربيد التنقستن كل طبقة ورق لإنتاج حواف الأجزاء، ويوضِّح الشكل التالي ورق الطباعة الذي يمكِن استخدامه لطابعات الترسيب الانتقائي التدريجي بالطبقات (SDL).
اللحام بالشعاع الإلكتروني (Electron Beam Melting)
تعتمد تقنية اللحام بالشعاع الإلكتروني (Electron Beam Melting – EBM) على استخدام شعاع إلكتروني وليس ليزري كمصدر حراري، ولذلك يجب استخدام هذه التقنية في بيئة خالية من الهواء (فراغ)، وباستخدام تلك التقنية يمكِن إنشاء أجزاء كثيفة كاملة من سبائك معدنية مختلفة؛ مما يسمح بصناعة المُنتَج بدقة وتخصيصه، كما يتم استخدام اللحام بالشعاع الإلكتروني (EBM) بكثافة في صناعات السيارات والطيران لتصنيع الأجزاء المعقَّدة، ويوضِّح الشكل التالي مكوِّنًا كرويًا معقدًا مطبوعًا باستخدام تقنية اللحام بالشعاع الإلكتروني.
بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد” من بداية الموضوع وحتى هذه النقطة، من خلال الرابط التالي:
يوضِّح الجدول التالي المزايا والعيوب الرئيسة لكل من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد.
مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D Printing Materials)
تحسَّنت المواد المُستخدَمة لإنشاء النماذج ثلاثية الأبعاد بشكلٍ كبير منذ بداية ظهور الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتتوفر العديد من المواد التي يمكِن استخدامها في حالات مختلفة، وتتمتع بخصائص كيميائية مختلفة، كما يتم الآن إنتاج مواد محدَّدة للمنصات التي تنفِّذ تطبيقات مخصَّصة، وذلك بشكلٍ يتوافق مع خصائص كل تطبيق.
البلاستيك (Plastics)
يتم استخدام النايلون البلاستيكي على شكل مسحوق في عملية التلبيد والانصهار وذلك في نمذجة الترسيب المنصهر (FDM)، ويتميَّز هذا النوع من البلاستيك بالقوة والمتانة والمرونة في عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتتوفر المادة عادةً باللون الأبيض، ولكن يمكِن تلوينها قبل الطباعة أو بعدها، كما يمكِن استخدامها مع مسحوق الألومنيوم لصنع مواد طباعة ثلاثية الأبعاد.
ومن المواد الأخرى مادة أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (Acrylonitrile Butadiene Styrene – ABS) التي يتم استخدامها على نطاق تجاري واسع وتتوفر على شكل خيوط في طابعات نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) الأساسية، وتتميز هذه المادة البلاستيكية بالقوة، وتتوفر منها ألوان عديدة كما هو موضح في الشكل التالي، ويتم استخدام مادة حمض اللبنيك (Polylactic Acid – PLA) كمادة لاصقة للطباعة في تقنية الطباعة الحجرية وتقنية معالجة الضوء الرقمي DLP \ SL وفي خيوط نمذجة الترسيب المنصهر (FDM)، وتتميز هذه المادة البلاستيكية بأنها قابلة للتحلُّل، وتتوفر بعدة ألوان بما فيها اللون الشفَّاف، وتعدُّ مثالية للطباعة ثلاثية الأبعاد على الرغم من أنها أقل متانة ومرونة من سابقتها أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS).
المعادن (Metals)
يعدُّ مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ أحد أقوى المعادن وأكثرها استخدامًا لتطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة كما هو موضَّح في الشكل التالي.
يمكِن طلاء الفولاذ ليبدو كالذهب أو البرونز، كما يمكِن طباعة الذهب والفضة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد مباشرةً بغرض صناعة المجوهرات.
يتوفر التيتانيوم على شكل مسحوق أيضًا، ويعدُّ واحدًا من أقوى المعادن للتلبيد الصناعي والطباعة ثلاثية الأبعاد في تقنية اللحام بالشعاع الإلكتروني (EBM).
السيراميك (Ceramics)
يمكِن طباعة السيراميك ثلاثي الأبعاد لأغراض الزينة المنزلية، أو للمُنتَجات التي تحتاج إلى مادة متخصِّصة، ويجب حرق أجزاء السيراميك وصقلها بعد الطباعة تمامًا كما هو الحال في التطبيقات التقليدية لمواد السيراميك، ويتضح ذلك في الشكل التالي.
الورق (Paper)
يتم استخدام ورق الطباعة القياسي بشكل أساسي في تطبيقات الطباعة بالترسيب الانتقائي التدريجي بالطبقات (SDL) ثلاثية الأبعاد، وتتمثَّل الميزة الرئيسة للورق في سهولة الحصول عليه، ورخص ثمنه، وفي إمكانية شرائه بكميات كبيرة.
تتميز النماذج ثلاثية الأبعاد التي يتم إنشاؤها باستخدام الورق وطريقة الترسيب الانتقائي التدريجي بالطبقات (SDL) بأنها آمنة بيئيًّا، ويمكِن إعادة تدويرها بسهولة، كما تتطلَّب القليل من المعالجة والتنظيف لاحقًا، ويوضِّح الشكل التالي نموذجًا مطبوعًا بالألوان لأحد أنواع الفاكهة.
المواد الحيوية والغذاء (Biomaterials and Food)
يتم إجراء الأبحاث على استخدام المواد الحيوية في الطباعة ثلاثية الأبعاد لأغراض التطبيقات الطيبة الحيوية على نطاق واسع.
تعمل بعض المؤسسات الرائدة في هذا المجال على تطوير أنسجة حية بهدف طباعة الأعضاء البشرية لزراعتها، وكذلك طباعة الأنسجة الخارجية عند الحاجة لاستبدال بعض الأعضاء في جسم الإنسان.
تركِّز الأبحاث الأخرى على تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد الغذائية، وتتضمن موادًا مثل منتَجات اللحوم والسكر والمعكرونة.
تهدُف الأبحاث المستقبلية إلى استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء وجبات مطبوعة ثلاثية الأبعاد مغذّية واقتصادية، ويوضِّح الشكل التالي استخدام طابعة بيولوجية ثلاثية الأبعاد.
فوائد الطباعة ثلاثية الأبعاد (Benefits of 3D Printing)
هناك فوائد عديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد في المجالات المختلفة، سواءً الشخصية أو التجارية أو الصناعية، ويوضِّح الجدول التالي المزايا الرئيسة للطباعة ثلاثية الأبعاد.
مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد
بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد” بدايةً من عنوان “مزايا وعيوب تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد” وحتى نهاية هذا القسم، من خلال الرابط التالي:
تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد (Applications of 3D Printing)
الرعاية الصحية (Healthcare)
كان القطاع الطبي من أوائل القطاعات التي بدأت باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، وذلك نظرًا لإمكانية تخصيص المُنتَجات حسب حاجة كل مريض، ولإمكانية استخداماتها المحتملة لتحسين حياة الإنسان، وذلك مع التقدُّم السريع في العمليات الجراحية والحاجة لإنشاء مواد طبية مختلفة، وتشمل استخدامات الطباعة ثلاثية الأبعاد صنع تيجان الأسنان، وأجهزة تقويمها، ويتم استخدام هذه التقنية أيضًا لتصنيع مفاصل الوِرك والركبة الاصطناعية، وسماعات الأذن الطبية، والنِّعال التقويمية للأحذية، والأطراف الصناعية المخصَّصة، والأطراف الصناعية للمرضى ذوي الاحتياجات الخاصة.
الروبوتية (Robotics)
يتم استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع في الروبوتات، وذلك لقدرتها على إنشاء أجزاء مخصَّصة بسرعة وسهولة؛ مما يسمح بعمل نماذج أولية بشكل أسرع وبتخصيص أكبر.
تتيح هذه التقنيات إنتاج أشكال معقَّدة وخفيفة الوزن؛ مما ينتج عنه تطوير أنظمة روبوتية أكثر تعقيدًا، ولكنها أكثر رشاقة وأفضل أداءً، ويوضِّح الشكل التالي ذراع روبوت مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أثناء تنفيذ مهمة آلية في خط الإنتاج.
الفضاء والسيارات (Aerospace and Automobiles)
تنطوي صناعة الطيران ومجال تطوير الطائرات على معايير صناعية صارمة، ولذلك يتم استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الصناعية على نطاق واسع لإنشاء أجزاء وأدوات دقيقة.
أدّى التطور السريع في عمليات التصنيع ومواده إلى استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في إنتاج بعض الأجزاء البسيطة للطائرات وجعله أمرًا واقعًا.
اتبع العديد من صانعي السيارات مسار صناعة الطيران كما هو موضَّح في الشكل التالي.
فقد لجأ المصنِّعون أولًا إلى استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج النماذج الأولية، ثم تكييف إجراءات التصنيع لأجزاء السيارات وتطويرها؛ للاستفادة من هذه التقنيات في تصنيع أجزائها المختلفة، وينظر العديد من صانعي السيارات إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد كوسيلة لإنتاج أجزاء وقطع غيار بديلة للسيارات عند الطلب، وذلك بدلًا من الاحتفاظ بمخزون احتياطي من هذه الأجزاء والقطع في المخازن.
المجوهرات (Jewellery)
يتطلَّب تصميم وتصنيع المجوهرات مستويات عالية من المعرفة والخبرة في التصنيع، وصنع القوالب، والصب، والطلاء بالكهرباء، وكذلك في التشكيل والصياغة والحفر، والنقش، والتلميع للذهب والفضة.
تطورت هذه المجالات بمرور الوقت وأصبحت تتطلَّب فهمًا تقنيًا عميقًا في هذه الصناعة، وتعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد على تغيير الطرائق التقليدية لصناعة المجوهرات، وقد أحدثت بالفعل تغييرًا كبيرًا في هذه الصناعة بأكملها، بدءًا من إتاحة إنشاء تصاميم حديثة، كما هو واضح في الشكل التالي إلى تحسين التقنيات التقليدية، ثم التحوُّل بشكلٍ كامل للطباعة ثلاثية الأبعاد لصنع المجوهرات، والذي يتجاوز المراحل التقليدية في هذه الصناعة.
الفن (Art)
يستخدِم الفنانون والنحَّاتون الطباعة ثلاثية الأبعاد لاستكشاف الأشكال والوظائف بطرائق جديدة، فقد بدأ العديد من الفنانين باستخدام النمذجة ثلاثية الأبعاد والمسح الضوئي والطباعة، حيث يوفِّر المسح الضوئي والطباعة ثلاثية الأبعاد كما يتضح في الشكل التالي إمكانيات تسمح للفنانين والمبتدئين بإعادة إنتاج أعمال احترافية سابقة، وإنشاء نُسَخ طِبق الأصل للروائع التاريخية بدقة عالية.
البناء (Architecture)
يتم استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد منذ سنوات طويلة لإنشاء نماذج معمارية دقيقة وفق رؤية الهندسة المعمارية، ويعدُّ هذا النوع من الطباعة طريقة سريعة وسهلة واقتصادية لإنتاج نماذج مفصَّلة بشكل مباشر من ملفات التصميم ثلاثية الأبعاد المنتَجة بمساعدة الحاسب والبيانات الرقميَّة الخاصة بالمهندسين المعماريين، وتستخدِم العديد من الشركات المعمارية الناجحة الطباعة ثلاثية الأبعاد، كما يتضح في الشكل التالي لتعزيز الابتكار والتصميم السريع للنماذج الأولية.
بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد” بدايةً من عنوان “تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد” وحتى نهاية هذا القسم، من خلال الرابط التالي:
عملية طباعة نموذج ثلاثي الأبعاد (Printing Process of a 3D Model)
تعدُّ طباعة النموذج ثلاثي الأبعاد مرحلة ممتعة في عملية التصميم، فهي المرحلة التي يصبح فيها إبداعك الافتراضي نموذجًا ملموسًا يمكِنك حمله وفحصه وعرضه، وللوصول إلى هذه المرحلة ستحتاج إلى تجهيز ملفك الرقمي لطباعته، ويتضمن تجهيز الملف الرقمي للطباعة عددًا من الخطوات، بدءًا من تصدير ملف فري كاد كملف بامتداد “.obj”، ثم تجهيزه للطباعة باستخدام برنامج خاص بالطباعة ثلاثية الابعاد.
ستقوم بفتح برنامج فري كاد وتحميل النموذج ثلاثي الأبعاد الذي أنشأته في الوحدة السابقة لتجهيزه للطباعة.
لفتح ملف محفوظ:
- من Menu bar (شريط القائمة)، اضغط على File (ملف).
- ثم اختر Open (فتح).
- اضغط على مجلد Documents (المستندات).
- اختر الملف.
- ثم اضغط على Open (فتح).
تصدير ملف (Exporting a File)
لتصدير ملف من برنامج فري كاد، تحتاج إلى اختيار الترس الصغير (Small Gear) المطلوب ثم تصديره بتنسيق “OBJ” أو “STL”، ثم تسمية الملف وتحديد الموقع الذي تريد حفظه به، ويمكِنك تكرار هذه العملية لأي هياكل إضافية مثل: الترس الكبير (Big Gear)، والقاعدة (Base) التي تريد تصديرها، فمجرد تصدير جميع الهياكل يمكِنك استيرادها إلى برنامج التقطيع الخاص بالطباعة ثلاثية الأبعاد، مثل برنامج ألتيميكر كيورا (Ultimaker Cura)، الذي سيجهّزها لعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد.
لتصدير نموذج ثلاثي الأبعاد:
- من علامة تبويب Model (النموذج)، اضغط ضغطة مزدوجة لاختيار Small Gear (الترس الصغير).
- من Menu bar (شريط القائمة)، اضغط على File (ملف).
- ثم اختر Export (تصدير).
- اضغط على مجلد Documents (المستندات).
- اكتب اسمًا للملف.
- من القائمة المنسدلة Save as type (حفظ كنوع) اختر النوع Alias Mesh (*.obj).
- اضغط على Save (حفظ).
مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد
استخدِم الطريقة نفسها لتصدير النماذج ثلاثية الأبعاد للترس الكبير (Big Gear) والقاعدة (Base) كملفات “OBJ”.
برامج الطباعة (Printing Software)
ألتيميكر كيورا (Ultimaker Cura) هو برنامج مجاني مفتوح المصدر يتم استخدامه لإعداد نماذج ثلاثية الأبعاد للطباعة، ويتيح لك هذا البرنامج إمكانية تخصيص الإعدادات وتحسينها، مثل: سرعة الطباعة، والجودة، وهياكل الدعم في الطابعة ثلاثية الأبعاد، ويتوافق هذا البرنامج مع مجموعة كبيرة من الطابعات ثلاثية الأبعاد، كما يوفر واجهة سهلة الاستخدام لتقطيع النماذج ثلاثية الأبعاد وإعدادها للطباعة.
يمكِنك تنزيل برنامج ألتيميكر كيورا (Ultimaker Cura) من الرابط التالي:
https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura/
الآن وبعد أن تم تصدير جميع الملفات الثلاثة بتنسيق “OBJ”، يمكِنك فتح برنامج التقطيع.
لاحظ أن
يأخذ برنامج التقطيع النموذج ثلاثي الأبعاد الخاص بك ويقسمه إلى طبقات فردية يمكِن للطابعة استخدامها بعد ذلك لإنشاء النموذج النهائي.
افتح بعد ذلك ملف نموذج الترس الصغير ثلاثي الأبعاد (Small Gear 3D).
لفتح ملف “.obj“:
- من Menu bar (شريط القائمة)، اضغط على File (ملف).
- ثم حدِّد Open files (افتح الملفات).
- اضغط على مجلد Documents (المستندات).
- ثم اختر الملف الذي تريد فتحه.
- اضغط على Open (فتح).
مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد
لاحظ أن
عند الضغط على زر Slice (تقطيع)، يمكِنك معاينة الوقت المطلوب لطباعة نموذجًا ثلاثي الأبعاد.
قبل إضافة النموذجين الآخرين ثلاثّيي الأبعاد، ستتعرف على أدوات التصفح والتنقُّل في برنامج كيورا (Cura).
يجب أن تستخدِم محورًا متحركًا (Transformation Axis) لاحتواء النماذج الثلاثة ثلاثية الأبعاد في لوحة التصميم.
يمثِّل السهم الأحمر المحور X، ويمثِّل السهم الأخضر المحور Y، ويمثِّل السهم الأزرق المحور Z، كما تشير هذه الأسهم إلى الاتّجاه الذي يمكِن أن يتحرك به المُجسَّم كما هو موضَّح في الشكل التالي.
بمجرد إضافة النماذج الثلاثة ونقلها إلى لوحة التصميم، ستحصل على النتيجة الظاهرة في الشكل التالي الموضَّح أدناه.
معلومة
يعتمد قرار طباعة المجسّمات بشكل منفصل أو بشكل مجمَّع على حجم النماذج، وتعقيدها، وعلى إمكانيات الطابعة، ويمكِن أن توفر طباعة مجسّمات متعدِّدة معًا الوقت والمواد، ولكنها تزيد من خطر فشل الطباعة، خاصةً إذا كانت النماذج كبيرة أو تتطلَّب إعدادات مختلفة.
بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد” بدايةً من عنوان “عملية طباعة نموذج ثلاثي الأبعاد” وحتى نهاية هذا القسم، من خلال الرابط التالي:
أدوات الإدارة (Management Tools)
تميِّز الألوان المختلفة في وضع المعاينة بين أجزاء الطباعة المختلفة، حيث يشير اللون الأزرق السماوي إلى موضع الهياكل الداعمة، ويشير اللون الأصفر إلى وجوه النماذج، أما اللون الأحمر فيبرز الحواف، وتساعِد هذه الألوان في تمثيل النتيجة النهائية للطباعة ثلاثية الأبعاد قبل طباعتها الفعلية؛ مما يسهِّل عملية تحديد المشكلات أو إيجاد المواضع التي تحتاج للتعديل قبل الطباعة.
ألقِ نظرة على الجدول التالي لفهم أفضل لأدوات إدارة الطباعة المختلفة.
مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد
في الختام، ستحفظ مشروعك بتنسيق “.gcode” لكي تتمكَّن طابعتك من طباعة النماذج ثلاثية الأبعاد.
لإنشاء ملف للطباعة:
- اضغط على زر Slice (تقطيع).
- من Menu bar (شريط القائمة)، اضغط على File (ملف).
- ثم اضغط على Export (تصدير).
- اضغط على مجلد Documents (المستندات).
- اكتب اسمًا للملف.
- من القائمة المنسدلة Save as type: (حفظ كنوع:)، اختر G-code File (*.gcode).
- ثم اضغط على Save (حفظ).
مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد
لاحظ أن
ملف “.gcode” ملف نصي عادي يحتوي على تعليمات للطابعة لإنشاء مجسَّم ثلاثي الأبعاد.
إن خيارات التصدير الأخرى التي يمكِنك استخدامها للطباعة هي تنسيقات ملفات “OBJ” و”STL”.
- “OBJ” أو “.obj” تعني مجسَّمًا وهو تنسيق لملف تخزين بيانات النماذج ثلاثية الأبعاد، بما في ذلك الشكل الهندسي ومعلومات مادة الصناعة وخصائص المواد الأخرى، وهو تنسيق ملفات يتم استخدامه على نطاق واسع ويتم دعمه من قِبَل العديد من تطبيقات البرامج ثلاثية الأبعاد.
- “STL” أو “.stl” تعني “الطباعة الحجرية المُجسَّمة” وهو تنسيق لملف يحتوي فقط على الشكل الهندسي لسطح النموذج ثلاثي الأبعاد، ممثَّلًا بمجموعة من المثلثات المتصلة، ويتم استخدامه بشكل شائع في الطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث يوفِّر نموذجًا مبسَّطًا يمكِن استخدامه لإنشاء مجسَّم مادي طبقة تلو الأخرى.
معلومة
أحد الجوانب المهمة التي يجب مراعاتها عند العمل مع الطباعة ثلاثية الأبعاد هو التوافق في تنسيقات الملفات.
قد تدعم الطابعات ثلاثية الأبعاد وبرامج التقطيع المختلفة تنسيقات متعدِّدة للملفات، ولذلك فمن المهم اختيار التنسيق المناسب لتجنُّب مشكلات التوافق، وتتضمّن تنسيقات الملفات الشائعة للطباعة ثلاثية الأبعاد تنسيقي “STL” و”OBJ” المدعومان على نطاق واسع من قِبَل معظم الطابعات وبرامج التقطيع.
بعد أن حصلت على الملف بتنسيق “.gcode” عليك نقله من حاسبك إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد، ويمكِنك توصيل حاسبك بالطابعة عبر سلك يو إس بي (USB)، أو نقل الملف إلى شريحة التخزين إس دي (SD card) وإدخاله في الطابعة، ويمكِنك استخدام واجهة الطابعة لتحديد الملف وبدء الطباعة بمجرد نقل الملف.
لاحظ أن
من المهم مراقبة عمل الطابعة خلال الطباعة، وذلك للتأكُّد من عملها بشكل صحيح.
في الجدول التالي يمكِنك التعرُّف على الممارسات السليمة لتشغيل الطابعة ثلاثية الأبعاد:
إعدادات الطباعة (Printing Settings)
كيورا (Cura) هو تطبيق برمجي شائع يتم استخدامه للطباعة ثلاثية الأبعاد، ويوفر العديد من إعدادات الطباعة المتقدمة التي يمكِن تخصيصها لتحقيق النتائج المرغوبة في الطباعة.
في الجدول التالي نستعرض بعض التفاصيل حول إعدادات الطباعة الموصى بها في برنامج كيورا، كما يمكِنك معاينة خيارات الدِّقة المختلفة المتاحة وخصائصها.
تشير الدِّقة (Resolution) في برنامج كيورا إلى ارتفاع طبقة النموذج أو المُجسَّم ثلاثي الأبعاد المطبوع، ويحدِّد ارتفاع الطبقة جودة المُجسَّم المطبوع ودقّته، بالإضافة إلى الوقت المُستغرَق في عملية الطباعة.
استعرض محتوى الجدول التالي للتعرُّف على بعض الإعدادات المُخصَّصة.
يمكِنك في الجدول التالي معاينة بعض إعدادات الطباعة المُخصَّصة الإضافية في برنامج كيورا مع شرح موجز:
لاحظ أن
يمكِن ضبط هذه الإعدادات بناءً على المتطلّبات المُحدَّدة للنموذج أو المُنتَج الجاري طباعته، ويساهِم الضبط السليم لهذه الإعدادات في تحسين جودة الطباعة وتقليل وقتها وتوفير تكاليف المواد.
بإمكانك بمراجعة محتوى موضوع “مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد” بدايةً من عنوان “أدوات الإدارة” وحتى نهاية الموضوع، من خلال الرابط التالي:
إلى هنا يكون قد انتهى موضوع “مقدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد“، لا تنسوا مراجعة نواتج التعلُّم أعلى المقال، وانتظرونا في الموضوع القادم!