Image: core-usa.com/

توجد تقنيات متعددة لطباعة مجسم ثلاثي الأبعاد، سنختص بذكر أهم ثلاثة منها وأكثرها انتشاراً، وهم:
1- عملية التجسيم: تعود أهميتها إلى أنها فتحت الباب أمام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.
2- الليزر انتقائي التلبد" (Selective Laser Sintering (SLS".
3- التصنيع باستخدام الخيوط المنصهرة " (Fused Filament Fabrication (FFF": وهي تقنية مطوَرة عن تقنية " (Fused Filament Fabrication (FDM”، تستخدم تقنية (FFF) حالياً في طابعات RepRap.

أولاً: عملية التجسيم: (Stereolithography (SLA
اخترعها تشاك هيل في 1986م مع تأسيس شركته D Systems 3.
تتكون العملية من:
_ ليزر من الأشعة فوق البنفسجية.
_ البوليمرات الضوئية " photopolymer": وهي المواد التي تتغير من الحالة السائلة اللزجة إلى الحالة الصلبة عند تعريضها إلى ضوء أو أشعة (فوق بنفسجية) فتصبح صلبة مرنة.
_ الراتنج " resin": وهو السائل الذي يوضع في وعاء.
_ المنصة "platform": المثقوب عليها نموذج ثنائي الأبعاد للمجسم.
_ نظام التحكم.
آلية عمل هذه التقنية:
1- تنخفض المنصة بواسطة نظام المصعد حتى يصبح سطح المنصة بسماكة طبقة تحت سطح الراتنج.
2- ينطلق شعاع الليزر، ويتتبع الحدود (الثقوب) ويملأ الشريحة ثنائية الأبعاد للنموذج.
3- يتصلب (يتبلور) الراتنج نتيجة لتفاعله مع الليزر في الطبقة الأولى ويتم تتبع النمط، يهبط المصعد بالمنصة (المحور (Zلمسافة مساوية لسماكة طبقة واحدة (وعادة تكون من 0.05مم إلى 0.15 مم)، ويُعاد ملئ الطبقة الثانية. تتكرر العملية حتى يصبح لدينا مجسم ثلاثي الأبعاد للنموذج الذي وضعناه في الطابعة.
4- تتم إزالة المجسم من المنصة وغسله من الراتنج الزائد (تحتاج عملية التجسيم إلى هيكل داعم للمجسم غالباً).
5- يوضع المجسم في فرن الأشعة فوق البنفسجية لمدة 20 دقيقة للمعالجة النهائية، يمكن استخدام الراتنج المتبقي من هذه العملية في عمليات أخرى.
أجزاء عملية التجسيم


Image: www.printspace3d.com

ثانياً: الليزر انتقائي التلبد ( Selective Laser Sintering (SLS:
تم تطوير تقنية الليزر انتقائي التلبد عام 1987م، على يد الطالب في جامعة تكساس كارل ديكارت وأستاذه في الهندسة الميكانيكية، جو بيامان. وشارك ديكارت و بيامان في تأسيس واحدة من أولى الشركات الناشئة للطباعة ثلاثية الأبعاد في عام 1989 وهي
"(Desk Top Manufacturing (DTM"، وفي 2001 تم بيع DTM لشركة 3D System.
ولكن ومع أن كارل ديكارت و بيامان حصلا على براءة اختراع لتقنية الليزر انتقائي التلبد، إلا أنهم لم يكونوا أول من طبق هذه العملية على أرض الواقع-عملية خلق الأشياء من مساحيق المواد(بودرة) باستخدام نشر الذرات، لإنشاء كائن ثلاثي الأبعاد -ففي الحقيقة لقد استخدمت الطبيعة التلبد(التكلس) لِآلاف السنين لخلق أشياء من الحياة اليومية كالمجوهرات والطوب والخزف.
تتكون العملية من:
_ نظام التحكم.
_ التصاميم والبرمجة.
_ ليزر ثنائي أوكسيد الكربون عالي الطاقة" (The carbon dioxide laser (CO2 laser":
يعد من أقدم الغازات الليزر التي تم تطويرها، ولا يزال الأكثر فائدة، ويعد هذا الليزر هو الأعلى ليزر بموجة مستمرة طاق ة حتى الآن.
_ مسحوق المادة المراد تشكيل الجسم منها (غالباً مسحوق مواد بلاستيكية أو مسحوق السيراميك أو الزجاج أو المعادن) في منصة التغذية.
_ منصتين منصة تغذية ومنصة بناء.
_ أسطوانة تنقل المواد إلى منصة البناء.
_ مكبس.
_ مرآة ماسحة.

مراحل العملية:
1- تبدأ عملية الليزر انتقائي التبلد بتحويل ملفات CAD إلى ملفات بصيغة STLبالبرامج المخصصة لذلك لكي تفهمها الطابعة، عندما يجهز الملف بصيغة STL يرسل ليطبع على آلة الليزر انتقائي التلبد.
2- يتم نقل طبقة من المواد المسحوقة من منصة الدعم إلى منصة البناء عبر البكرة الآلية.
3- يتم توجيه شعاع الليزر عالي الطاقة والحرارة إلى طبقة المواد المسحوقة ويقوم بتجميع المواد المسحوقة الموجه عليها شعاع الليزر، وتصبح كتلة صلبة واحدة.
4- عندما يتم الانتهاء من الطبقة الأولى، تعود البكرة وتنقل الطبقة الثانية من المواد المسحوقة وتنخفض منصة البناء في حين يرفع المكبس منصة الدعم.
5- طبقة بعد طبقة يتم الانتهاء من بناء الجسم ثلاثي الأبعاد.
6- يتم ترك النموذج ليبرد قليلاً قبل أن يتم إخراجه.
7- يخرج من غرفة منصة البناء ويزال عنه مسحوق المواد.
تتميز هذه العملية بعدم الحاجة إلى هيكل داعم، إذ إن الداعم للجسم أثناء بناءه هو المسحوق الموجود فيه فقط، والمسحوق الذي لم يتم استخدامه يمكن استخدامه في العمليات التالية.
وقد أثبتت SLSأنها يمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص للصناعات التي تحتاج فقط كمية صغيرة من الأشياء المطبوعة في مواد ذات جودة عالية. وأحد الأمثلة على ذلك هو صناعة الطيران، والذي يستخدم SLSلبناء نماذج لقطع الطائرة.
وهي مفيدة أيضاً لمن يرغب في طباعة جسم معقد للغاية، إذ تتميز بالدقة العالية في الطباعة.
• حاليا الشركة الأكثر ارتباطا بتقنية SLSفي الولايات المتحدة الأميركية هي شركة 3D System.
أجزاء ومراحل عملية الليزر انتقائي التلبد:


Image: أحمد جديد

ثالثاً: التصنيع باستخدام الخيوط المنصهرة " (Fused Filament Fabrication (FFF":
لمحة تاريخية:
إنَّ " التصنيع باستخدام التشكيل من الترسيب المنصهر
"(Fused Deposition Modelling (FDM" هو الاسم التجاري الذي تملكه وسجلته شركة "Stratasys " وهي الشركة التي اخترعت هذه التقنية في أوائل 1990م، وبقيت هذه التقنية محتكرة ومحمية من قبل هذه الشركة حتى عام2009 م، حيث قام بعض الباحثون (كان للدكتور أدريان بوير Dr. Adrian Bowyer وفريقه دور كبير فيها) بعدة أبحاث جرت منذ عام 2007 بإنشاء تقنية جديدة وهي تقنية التصنيع باستخدام الخيوط المنصهرة
"(Fused Filament Fabrication(FFF"، مستفيدة بشكل كبير من تقنية" FDM".
حيث ظهرت تقنية التصنيع باستخدام الخيوط المنصهرة التي يطلق عليها ايضاً تسمية التصنيع الحر "(Freeform Fabrication (FFF "، وقد عدت شركة Stratasys هذه التقنية والطابعات RepRap انتهاكاً لبراءة الاختراع خاصتها، فرفعت دعوى قضائية ضد بعض الشركات المسؤولة عن هذا الانتهاك.
في النهاية استطاعت طابعات ال RepRap النجاة من شبح القضاء عليها، وانتشرت بشكل كبير منذ عام في أسواق المستخدمين العاديين وظهرت شركات كبيرة سيطرت على سوق هذه الطابعات في مقدمتها شركة Makerbot.
المواد المستخدمة لطباعة المجسم ثلاثي الأبعاد في هذه العملية هي:
خيوط من مواد بلاستيكية غالباً ويفضل أن تكون PLA أوABS التي تنصهر عندما تمر من خلال باثق حراري Extruder، وتعتمد التقنية على المحاور الثالث (x،y،z) في عملها وتسمى المنصة التي تُبثق عليها المواد باللوح الحراري"Heat Bed ".
بوليمرات حمض اللبن PLA "بولي لاكتيك أسيد Polylactic Acid": نوع من البلاستيك الصديق للبيئة.
أكريلونيتريل البيوتاديين الستايرين "ABS "Acrylonitrile Butadiene Styrene : نوع من البلاستيك غير الصديق للبيئة.
مراحل العملية:
بعد إرسال التصميم ثلاثي الأبعاد المراد طباعته إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد تبدأ الطابعة بعملية تكرارية في الطباعة كما هو موضح في الشكل المرفق، ويكون قطر الخيط المخرج من الباثق بشكل عام لا يزيد عن أجزاء من الميليمتر.
تحتاج العملية إلى هيكل داعم، يمكن التحكم في كثافته بحيث تكون إزالته سهلة.

من مميزات تقنية التصنيع باستخدام الخيوط المنصهرة، أنها أدت إلى خفض سعر الطابعات ثلاثية الأبعاد المستخدمة لهذه التقنية بشكل كبير من 5000$كحد أدنى قبل 2010م، حتى 300$ كأدنى سعر لطابعة ثلاثية الأبعاد من نوع RepRap .
•تختلف دقة إنتاج هذه التقنية باختلاف الطابعة التي تستخدمها، والمواد المستخدمة.
•تستخدم الطابعات المنزلية، التجارية و RepRap تقنية التصنيع باستخدام الخيوط المنصهرة، وبشكل عام فالأكثر انتشاراً بين المستخدمين العاديين هي RepRap لرخصها وإمكانية الأشخاص العاديين (الهواة) من صناعتها والتعديل عليها، كونها طابعة مفتوحة المصدر.
• حاليا تعد تقنية التصنيع باستخدام الخيوط المنصهرة الأكثر انتشاراً على مستوى العالم، بسبب النجاح الذي حققته في سرعة الإنتاج والجودة النسبية، وإمكانية استخدام مواد مختلفة فيها
--
ترجمة: محمد أحمد جديد
الاستاذ المشرف: لؤي حمرة

المصادر:
هنا
هنا
هنا
هنا
هنا
هنا
هنا
هنا
هنا
هنا
هنا
هنا
رابط الجزء الأول:
هنا