1.مقدمة:

شهدت طرق التصنيع في العصر الحديث تطوراً مذهلاً، وينبغي لكل من يرتبط بمجال التصميم الهندسي أن يكون له من نصيب من الاطلاع على هذا التطور لمواكبة متطلبات العصر.

ومع هذا التطور ظهر مصطلح النمذجة السريعة Rapid Prototyping وهي طريقة تكنولوجية حديثة تستخدم الحاسوب وماكينات التحكم الرقمي CNC ويتم التحكم فيها عن طريق برامج الحاسب لتصميم النماذج الأولية آليا وبطريقة سريعة. وتعتمد على تكوين صورة ثلاثية الابعاد للجزء المطلوب عن طريق الحاسب ومن ثم تحويل هذه الصورة ثلاثية الأبعاد لأوامر برمجية نستطيع من خلالها التحكم في الماكينة.

ومن أهم ميزات استخدام النمذجة السريعة في التصنيع:

1. سرعة ودقة تصنيع نموذج أولي ثلاثي الأبعاد من مادة او مجموعة من المواد.
2. تسمح بمجال اوسع لتخيل افكار أكثر.
3. التحقق من تفاصيل التصميم والكشف المبكر والحد من أخطاء التصميم.

يمكن تقسيم طرق النمذجة السريعة إلى فئتين رئيسيتين، التصنيع بالإضافة Additive Manufacturing أو التصنيع بالإزالة Manufacturing Subtractive.

: Subtractive Manufacturing

من اسمه فإن عملية التصنيع هذه تعتمد على إزالة أو قطع أو نحت قطعة من مادة صلبة للوصول بها لشكل مطلوب تنفيذه.

يمكن أن تكون تلك القطعة كتلة من المعدن أو البلاستيك أو الخشب على سبيل المثال.

ومن أمثلة الماكينات التي تستخدم هذه التقنية في التصنيع والانتاج، ماكينات الفريزة والخراطة   وحتى ماكينات راوتر الأخشاب.

Additive Manufacturing:

التصنيع بالإضافة هو عكس التقنية السابقة، فبدلاً من إزالة المادة الخام الزائدة في صورة رايش للوصول للشكل المطلوب نقوم هنا كما كان في التصنيع بالإزالة، نقوم هنا بدلاً من ذلك بإضافة المادة الخام على القدر الكافي لتشكيل التصميم المطلوب فتكون كمية الهدر في المادة الخام قليلة.

من أشهر الماكينات التي تستخدم هذه التقنية في التصنيع ماكينات الطباعة ثلاثية الأبعاد، كما أن عمليات حقن البلاستيك وسباكة المعادن تعتبر أيضاً أحد تقنيات التصنيع بالإضافة.

2.الطباعة ثلاثية الأبعاد:

مدخل:

من أهم طرق التصنيع بالإضافة الطباعة ثلاثية الأبعاد، ذلك المجال الذي أخذ في التنامي في الفترة الأخيرة بشكل سريع جداً فأحد أعظم الأمور المتعلقة بمجال الطباعة الثلاثية الأبعاد هو أنه يتطور بسرعة رهيبة وتحدث التطورات التقنية فيه بقفزات هائلة.

بالرغم من ذك فإن مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد ليس بالمجال الحديث فقد ظهرت أول طابعة ثلاثية الأبعاد بشكل فعلي في الولايات المتحدة سنة 1986م.

بعد ظهور الطابعة ثلاثية الأبعاد في تلك الحقبة المكبرة، مثلت جزأً من ثورة صناعية جديدة سماها البعض بالثورة الصناعية الرابعة، بالرغم من ذلك ظلت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد رهينة التطور التكنولوجي وتطور الحواسيب وبرامج التصميم.

عندما يسمع معظم الناس عن الطباعة الثلاثية الأبعاد لأول مرة تقفز صورة الطابعة التقليدية مباشرة إلى أذهانهم. أكبر فارق بين الطابعة التي تنفث الحبر والطابعة الثلاثية الأبعاد هو فارق متعلق بالأبعاد؛ إذ تطبع الطابعة المكتبية بتقنية ثنائية الأبعاد عن طريق ورش الحبر الملون على ورق مسطح، بينما تصنع الطابعة الثلاثية الأبعاد أجساماً ثلاثية الأبعاد يمكنك حملها في يدك.
تصنع الطابعات الثلاثية الأبعاد الأشياء باتباع تعليمات من كمبيوتر وتكديس المواد الخام في طبقات.

لا تقطع الطابعات الثلاثية الأبعاد الأشياء أو تصبها في قوالب مثلما يفعل البشر أو آلات التصنيع التقليدية. ويتيح صنع الأجسام في طبقات القدرة على تجسيد نطاق أكبر من المفاهيم الرقمية، فإذا كان تصميم الجسم يحوي تجاويف داخلية دقيقة أو أجزاء متداخلة، فإن الطابعة الثلاثية الأبعاد ستكون هي أول آلة تصنيع يمكن أن تنفذ هذه التصميمات على أرض الواقع.

يمكن تلخيص سر الطباعة الثلاثية الأبعاد فيما يلي: الطابعات الثلاثية الأبعاد تكون أكثر دقة ومهارة من أي أسلوب إنتاج آخر — سواء كان بشرياً أو آلياً — في تحويل التصميمات المعقدة لأجسام مادية عن طريق مزج المواد الخام بطرق متنوعة لم تكن ممكنة من قبل. اليوم، يمكن لأي طابعة ثلاثية الأبعاد منزلية عادية صنع أجسام بلاستيكية في حجم صندوق الحذاء، أما الطابعات الثلاثية الأبعاد الصناعية فيمكنها صنع ما يتراوح حجمه ما بين السيارة ورأس الدبوس الذي لا يكاد يُرى بالعين المجردة. بعض المصممين أنشئوا طابعات ثلاثية الأبعاد مخصصة يمكنها إنتاج هياكل خرسانية كبيرة في حجم منزل صغير. وطبع باحثون آخرون أجساماً على مستوى مصغر للغاية، صانعين أجساما تُرى تفاصيلها بالكاد بالعين المجردة.

مميزات الطباعة ثلاثية الأبعاد:

1. صنع أشكال دقيقة ومعقدة بتكلفة بسيطة

في التصنيع التقليدي، كلما زاد شكل الجسم ً تعقيدا، زادت تكلفته. أما بالنسبة إلى الطابعات الثلاثية الأبعاد، فإن التعقيد يكلف نفس ما تكلفه البساطة؛ فصنع أجسام مزخرفة ومعقدة لا يتطلب المزيد من الوقت أو المهارة أو التكلفة أكثر من طباعة مكعب بسيط. ومجانية التعقيد هذه ستُخل بتوازن نماذج التسعير التقليدية، وتغير كيفية حسابنا لتكلفة صنع الأشياء.

2. التنوع مجاني

يمكن لطابعة واحدة ثلاثية الأبعاد صنع العديد من الأشكال؛ فمثل الحرفي البشري، يمكن للطابعة صنع شكل مختلف كل مرة. الآلات التقليدية أقل تنوعاً بكثير، وتُصنِّع نطاقاً محدوداً من الأشكال. تلغي الطباعة الثلاثية الأبعاد التكاليف الإضافية المتعلقة بإعادة تدريب عمال الآلات أو إعادة تجهيز آلات المصنع؛ فأي طابعة ثلاثية الأبعاد تحتاج فقط لمخطط رقمي مختلف، ومجموعة جديدة من المواد الخام كما سنتحدث عن ذلك فيما بعد.

3.لا حاجة للتجميع

تُنتج الطباعة الثلاثية الأبعاد قطعا متداخلة. على العكس، يقوم التصنيع الواسع النطاق على خط التجميع؛ ففي المصانع الحديثة، تصنع الآلات أجزاء متطابقة يتم تجميعها لاحقاً. وكلما زادت الأجزاء التي يحتويها الجسم، زادت تكلفة إنتاجه وزاد وقت تجميعه. لكن عن طريق صنع الأشياء بمراكمة الطبقات، يمكن لأي طابعة ثلاثية الأبعاد طباعة باب بم َف َّصلات متداخلة في نفس اللحظة من دون الحاجة لأي تجميع. وتقليل التجميع سيؤدي إلى قصر سلاسل التوريد؛ مما يوفر المال المدفوع للعمال والنقل.

4. حرية أكثر في عمليات التصنيع والتوريد

يمكن للطابعة الثلاثية الأبعاد طباعة الأشياء حسب الطلب عند الاحتياج لها، وهذا التصنيع الفوري يقلل حاجة الشركات للتخزين المادي للسلع، وسيؤدي هذا إلى ظهور أنواع مختلفة من الخدمات؛ حيث ستتيح الطابعة الثلاثية الأبعاد إمكانية صنع أجسام مخصصة عند الطلب استجابة لطلبات العملاء. وانعدام وقت الإنتاج يمكنه تقليل تكاليف الشحن لمسافات طويلة إذا ص ِنعت الأجسام المطبوعة عند الحاجة إليها، وبالقرب ممن يحتاج إليها.

5.تسطتيع صنع ما يمكنك تخيله

أي تصميم يمكنك عمله ببرامج ال CAD يمكنك تنفيذه بالطباعة ثلاثية الأبعاد.

6. التصنيع مدمج ومتنقل

بناءً على حجم مساحة الإنتاج، فإن الطابعة الثلاثية الأبعاد تمتلك قدرة تصنيعية أكبر من آلة التصنيع التقليدية. على سبيل المثال، إن آلة القولبة بالح ْقن يمكنها فقط صنع أجسام أصغر بنحو كبير من حجمها. على العكس، فإن طابعة ثلاثية الأبعاد يمكنها صنع أجسام كبيرة في حجم سرير الطباعة خاصتها، وإذا ض ُ بطت الطابعة لتتحرك آلة الطبع خاصتها بنحو حر، فيمكنها صنع أجسام تَفوقها في الحجم. 

7.الهدر في المادة الخام أقل:

تخلف الطابعات الثلاثية الأبعاد، التي تعتمد على المعادن، مخلفات ً ثانوية أقل مما تخلفه نظيرتها من تقنيات التصنيع التقليدية التي تخلف كميات كبيرة تقدر بنسبة تسعين بالمائة من المعادن الأصلية.

 

8.سهولة التنوع في استخدام مواد مختلفة لنفس التصميم

المزج بين العديد من المواد الخام المختلفة في منتَج واحد أمر صعب باستخدام آلات التصنيع الحالية، وبما أن آلات التصنيع التقليدية تقسم أو تقطع أو تصنع قوالب لصنع الأشكال المحددة، فإن تلك العمليات لا يمكنها المزج بسهولة بين مواد خام مختلفة. وبتطور مجال الطباعة الثلاثية الأبعاد ذات المواد الخام المتعددة، سنكتسب القدرة على المزج بين أنواع مختلفة من المواد الخام. وهذا المزج، الذي لم يكن متاح ُ ا من قبل ً بين المواد الخام، يتيح لنا مجموعة أكبر بكثير — وغير مستكشفة في الكثير من الأحيان — من المواد الخام بخواص جديدة أو
سلوكيات مفيدة.

التقنيات المختلفة للطباعة ثلاثية الأبعاد:

الاسم الاصطلاحي للطباعة الثلاثية الأبعاد — وهو التصنيع بالإضافة — هو في الواقع اسم وصفي بنحو كبير لطريقة العمل الخاصة بالطابعات الثلاثية الأبعاد. تشير كلمة» بالإضافة «إلى الطريقة التي تصنع بها الطباعة الثلاثية الأبعاد الأشياء سواء بترسيب أو دمج المواد الخام في طبقات لصنع جسم صلب ثلاثي الأبعاد. تشير كلمة» التصنيع «إلى حقيقة أن الطابعات الثلاثية الأبعاد تصنع هذه الطبقات طبقا لنوع من العمليات المنهجية القابلة للتكرار والتوقع.

توجد تقنيات عديدة للطباعة ثلاثية أشهرها:

Liquid based (SLA and Inkjet based Printing)1.

Solid based (FDM)2.

Powder based (SLS)3.

تختلف هذه التقنيات باختلاف المادة الخام المستخدمة وطريقة عمل الماكينة نفسها وفي يلي سنتحدث عن كل منها بشيء من التفصيل.

Liquid based Additive Rapid Prototyping:

تكون المادة الخام للطباعة عبارة عن سائل يسمي PHOTOPLOYMER عند تعرض هذا السائل لضوء الليزر المعدل من خلال عدسات، يتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة أثناء حركة الماكينة في الثلاث محاور X,Y,Z مكوناً الشكل المراد طباعته.

ويسمى هذا النوع من الطابعات باسم SLA اختصاراً ل StereoLithography Apparatus

ويتواجد بأحجام وسعات مختلفة، وفيما يلي صور توضح كيفية عمل الماكينة.

Solid based Additive Rapid Prototyping:

وفي هذا النوع من الطباعة تكون المادة الخام في صورة صلبة يسمى filament ويتم صهرها لتشكيل التصميم المطلوب أثناء حركة الماكينة لتبرد بعد ذلك مكونة التصميم المطلوب وتسمى هذه التقنية ب FDM اختصاراً ل Fused Deposition Modeling وهي أكثر صور الطباعة ثلاثية الأبعاد انتشاراً بين المستهلكين العاديين نظراً لسهولة استعملها ورخص ثمنها النسبي.

ومن الطابعات التي تعتمد على المادة في صورة صلبة طابعات ال Sheet Lamination حيث تتواجد المادة الخام في صورة شرائط صلبة يتم قصها وصهرها في طبقات للحصول على الشكل المطلوب.

Powder based Additive Rapid Prototyping:

وتكون المادة الخام في هذه التقنية من الطباعة في صورة مسحوق يتحول للحالة الصلبة عند سقوط أحد أنواع أشعة الليزر عليه مكوناً الشكل المطلوب أثناء حركة الماكينة في الثلاث محاور.

ومن أنواع الطابعات التي تستخدم هذه التقنية SLS  اختصاراً ل Selective Laser Sintering

كل تقنية من التقنيات الثلاث السابقة لها ميزاتها وعيوبها ومنها ما هو مخصص للاستخدام في المجال الصناعي نظراً لدقته وبالتالي ارتفاع سعره ومنها ما يكون مخصص للاستخدام المنزلي ولكن ما هي العوامل التي بناءً عليها يمكن أن نحدد التقنية الأمثل للتطبيق الخاص بنا؟!

 

توجد خمسة عوامل نستطيع من خلالها المقارنة بين التقنيات السابقة وهي:

1.سرعة الانتاج.

2.الدقة.

3.نقاط القوة التي تميز هذه التقنية عن التقنيات الأخرى.

4.نقاط الضعف الموجودة في هذه التقنية.

 والجدول التالي يقارن بين هذه النقاط كل التقنيات السابقة.

ولما كانت تقنية ال FDM  هي الأكثر انتشاراً، بل إن البعض يعتقد أن الطباعة ثلاثية الأبعاد محصورة عليها سنتحدث عنها بالتفصيل، كيف تعمل وما المواد المستخدمة فيها وكيف نرفع من كفاءة عمل الماكينة.

 

Fused Deposition Modeling) FDM):

هي الصورة النمطية من الطباعة ثلاثية الأبعاد حيث تتواجد المادة الخام في صورة سلك رفيع من مادة بلاستيكية تقوم المادة بسحب هذا السلك وصهره 1ثم بثقة2 وأثناء عملية البثق هذه تتحرك3 الماكينة مكونة الشكل المراد طباعته.

المواد الخام المستخدمة في الطباعة:

المادة الخام المستخدمة في الطباعة في تقنية ال FDM تسمى Filament ويوجد منها أنواع مختلفة أشهرها:

1. acrylonitrile butadiene styrene (ABS)
2. polylactic acid (PLA)
3. Polyethylene terephthalate (PET)

         

4. Nylon
5. Thermoplastic Polyurethane (TPU)
6. Polycarbonate (PC)

وتسهلاً للشرح سنعبر عن تقنية ال FDM باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد دون الحاجة للتخصيص في باقي الشرح.

3.كيفية تشغيل الطابعة ثلاثية الأبعاد: 

تلعب أجهزة الكمبيوتر دورا حيويٍاً في عملية الطباعة الثلاثية الأبعاد؛ فمن دون التعليمات الآتية من أحد أجهزة الكومبيوتر، تتوقف الطابعة عن العمل. وهي تعمل فقط عندما تُغذى بمخطط إلكتروني مصمم بعناية، أو ما يسمى بملف التصميم، الذي يعطيها تعليمات حول أماكن وضع المواد الخام. في الواقع، فإن الطابعة الثلاثية الأبعاد من دون كمبيوتر موصل بها وملف تصميم مصنوع بعناية تصبح بلا فائدة. تسير عملية الطباعة الثلاثية الأبعاد كما يلي: تتَّبع الطابعة إرشادات ملف التصميم، وتُخرج أو تصلد المادة الخام التي على هيئة مسحوق أو مادة ذائبة أو سائلة في نموذج محدد مسطح. بعد تماسك الطبقة الأولى، يعود» رأس الطباعة «الثلاثية الأبعاد لتشكيل طبقة رفيعة ثانية ووضعها فوق الأولى، وعندما تتماسك الطبقة الثانية، يضع رأس
الطباعة طبقة ثالثة فوق الثانية. وفي النهاية تبدأ الطبقات في التراكم ليتكون الجسم الثلاثي الأبعاد.

 للحصول على منتج صالح للاستخدام من الطابعة ثلاثية الأبعاد فإن هذه العملية تتم من خلال ثماني خطوات:

1.عمل التصميم على برنامج تصميم ثلاثي الأبعاد CAD.

2.تحويله لصيغة تفهمها الماكينة.

4.ضبط إعدادات الطباعة للطابعة ثلاثية الأبعاد.

5.تنفيذ التصميم.

6.إزالة المنتج من على الماكينة.

7.معالجة التصميم بعد الانتهاء من الطباعة.

8.استخدام التصميم.

 بصورة أوضح فإنك تقوم بعمل التصميم الخاص بك باستخدام برنامج كالسوليدوركس مثلاً أو أي برنامج تصميم ثلاثي الأبعاد آخر ومن ثم تأخذ هذا التصميم وترسله لبرنامج يحوله لصيغة تفهمها الماكينة عن طريق فئة من البرامج الخاصة بالطباعة ثلاثية الأبعاد تسمى Slicing software   وبعد ذلك نحدد إعدادات الطباعة الخاصة بهذا المنتج والكيفية التي ستعمل بها الماكينة وهذا هو الأمر الأهم والذي يحدد جودة الطباعة وكفاءة المنتج الخارج وصلاحيته للاستخدام.

4.برامج الطباعة ثلاثية الأبعاد Slicing software :

من اسمها فإن هذه البرامج ببساطة تقوم بتحويل التصميم الخاص بك إلى شرائح أو طبقات layers حتى تستطيع الطابعة ثلاثية الأبعاد تنفيذه. ويوجد العديد من البرامج التي تقوم بهذه الوظيفة مثل:

ويعد برنامج Cura من إنتاج الشركة الرائدة في تصنيع الطابعات ثلاثية الأبعاد Ultimaker

بالرغم من ذلك فهو برنامج مجاني ومفتوح المصدر حيث يمكن تثبيته وإضافة إعدادات الطابعة الخاصة بك. ومن مميزاته أيضاً:

1. تم اختبار البرنامج لآلاف الساعات وأعطى نتائج موثوقة.

2.يوجد به أكثر 400 إعداد للتحكم بدقة كاملة في عملية الطباعة.

3.يتم تحديث البرنامج باستمرار من قبل شركة Ultimaker.

4.يستطيع البرنامج التكامل العديد من البرامج مثل SOLIDWORKS, Siemens NX, Inventor .

5.يستطيع البرنامج التوافق مع صيغ PNG,JPG,GIF,BMP,3MF,X3D,OBJ,STL.

وتبقى الخطوة الأهم في عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد وهي ضبط إعدادات برنامج التشغيل وسنأخذ برنامج Cura كمثال نوضح عليه كيفية ضبط الإعداد وتحديد جودة وكفاءة الطباعة.

 

5.ضبط إعدادات الطابعة ثلاثية الأبعاد باستخدام برنامج Cura:

1. تحميل البرنامج:

يمكن تحميل البرنامج بكل سهولة من موقع شركة Ultimaker على الرابط التالي واختيار نظام التشغيل المناسب حيث أن البرنامج يصلح لأنظمة تشغيل ويندوز وماك ولينكس:

Ultimaker Cura: Powerful, easy-to-use 3D printing software

2.تثبيت البرنامج:

نقوم بالضغط مرتين أيقونة البرنامج واتباع الخطوات الآتية:

 

 

 

وبذلك نكون انتهينا من تثبيت البرنامج.

الي اللقاء مع المقال التالي بعنوان ضبط إعدادات الطابعة