طباعة ثلاثية الأبعاد

الطباعة

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.

مبدأ الطّباعة

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

التكنولوجيات

تستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لبناء أجزاء المنتج أو النموذج الأول في شكل طبقات، حيث يرسم الجزء المطلوب بمساعدة برنامج أوتوكاد ثم يقسم التصميم إلى رسوم محوسبة (Algorithm Draw) بحيث يتحول كل شكل إلى بيانات رقمية ، يقوم جهاز الطباعة بعد ذلك بتنفيذها مجسمة من المادة المختارة بالتفاصيل الدقيقة لكل طبقة.
ويتم بناء كل طبقة بنثر أو نفث مسحوق الخامة (powder) فوق سطح طبقة أخرى من المسحوق تم اعدادها كأساس.
ويتم تكوين أو بناء الطبقات المادية بتقنية مشابهة لتلك المستخدمة في حالة الطباعة بالنفث الحبري (Ink-jet printing)، وتستخدم مع تلك الطبقات المادية مواد رابطة (Binders) للخامات لتربط الحبيبات فيتم تشكيل النموذج.
ويقوم مكبس (Piston) بضغط طبقة المسحوق الأساسية لتثبيتها ومن ثم يرتفع ليقوم بضغط الطبقة التالية التي سيتم نفثها ثم ربط حبيباتها باستخدام المواد الرابطة، ويتم تكرار بناء طبقة فوق طبقة حتى يكتمل تشكيل الشكل المطلوب.
ويتم نفث القطرات حسب الطلب حيث يقوم النافث (Nozzle) بتوزيع كميات منفصلة أو مستمرة من المواد الرابطة تترسب فوق طبقة من المسحوق سواء أكان مادة خزفية أو معدن أو بوليمرات والذي سوف يتحول إلى قطاع رقيق للشكل المطلوب وبتكرار النفث للخامات والمواد الرابطة تتكون الطبقة تلو الأخرى حتى نحصل على الشكل النهائي.
ويمكن تشكيل أي خامة توجد في صورة مسحوق بواسطة طريقة الطباعة الثلاثية وأكثر من ذلك لأن الخامات المختلفة يمكن توزيعها أو نفثها بعدة رؤوس طباعة مختلفة، ويمكن أن نجري تحكم على تركيب الخامة كما يمكن أن نحدد بدقة متناهية الأماكن المناسبة لسقوط القطرات وذلك بقصد الحصول على ملامس محددة وللتحكم في التركيب الجزيئي الداخلي للجزء المنتج.
بعد ذلك تتم المعالجة الحرارية، حيث يتم التخلص من المسحوق غير المرتبط وكذلك المواد الرابطة الغير مرغوب فيها.
ويتم الحريق أو المعالجة الحرارية لدرجات حرارة تتعدى 1000 درجة مئوية حيث تحدث عملية التلبيد (sintering) لاكساب الجسم صلابة ومتانة تلائم الاستخدام.
ويستخدم في هذه التقنية نوعين من المواد الرابطة: النوع الأول يتفاعل ويترابط مع الخامات أو المساحيق المستخدم سواء كانت خزف أو معدن، أما النوع الثاني فلا يتفاعل مع الخامات ويتبخر أثناء عملية التلبيد.

البلمرة الضوئية والتصليد الحراري Vat Photopolymerisation

في هذا النوع من الطّباعة تستخدم مادة لزجة/هلامية تتكون من بوليمر حساس للأشعة فوق البنفسجية، وليزر من الأشعّة فوق البنفسجية ، حيث يسلط شعاع الليزر على سطح البوليمر حسب نمط معين، والذي هو المقطع العرضي للطبقة المراد طباعتها، وبعد أن يمر شعاع الليزر فوق سطح البوليمر، يتجمد ويصبح صلبا، وهكذا تبنى الطبقات الواحدة فوق الأخرى ، ومن أشهر التقنيات التي تستخدم هذه التكنولوجيا ليثوگرافية فراغية Stereolithography (SLA)، والمادة المستخدمة في هذه التقنية هي البوليمر الضوئي.

الطباعة بالتلين الحراري Material Extrusion

في هذه التكنولجيا يتم تزويد الطابعة بمادة الطّباعة على شكل أسلاك أو خيوط، تتصل برأس مدبب دقيق فيه فوهة ،يسخن هذا الرأس ليذيب مادة الطّباعة، وعند حركته أفقيا ورأسيا يخرج المادة حسب الشكل المطلوب، وحال خروج المادة من الرأس تبرد في درجة حرارة الغرفة وتتصلب. واحدة من أشهر التقنيات التي بنيت على هذه التجربة هي نمذجة التسريب المنصهر  Fused Deposition Modeling (FDM)، التي اخترعها سكوت كرمب في نهاية الثمانينات من القرن الماضي. ومن أكثر المواد المستخدمة في هذه التقنية هي اللدائن الحرارية.

الطباعة باستخدام المسحوق Powder Bed Fusion

مادة الطّباعة في هذه التكنولوجيا تكون على شكل مسحوق ، حيث يسلط شعاع من الليزر عالي الطاقة على سطح المسحوق حسب المقطع العرضي من الشكل المراد طباعته، وبعد طباعة الطبقة كاملة على سطح المسحوق، يهبط المصعد الخاص بالطابعة طبقة للأسفل ليسمح بتشكيل طبقة جديدة من المسحوق حسب الطبقة التالية من النموذج. أشهر تقنية تستعمل هذه التكنولوجيا هي تقنية تلبيد الليزر الإنتقائي Selective laser sintering (SLS)، وأكثر المواد المستخدمة في هذه التقنية هي : اللدائن الحرارية ( البلاستيك الحراري )، الزجاج، الرمل.

تحديات الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد

نتيجة للتقدم التكنولوجي المستمر، ومحاولة استخدام الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد في أغلب المجالات ، كان لا بد لهذه التقنية من أن تواجه بعض الصعوبات والتحديات التي تمثلت في القطاعات التالية : التحديات في قطاع المواد ، التحديات في قطاع وقت الإنتاج والطّباعة ، التحديات في قطاع تكلفة الطّباعة.

التحديات في قطاع المواد

هناك الكثير من المواد التي تستخدم في الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، مثل البلاستيك الحراري والبوليمرات والمعادن بالإضافة إلى المواد العضوية، لكن الباحثين ما زالوا في صدد اكتشاف مواد جديدة بمواصفات محددة ، وما زال قطاع مواد الطّباعة يشكل تحديا كبيرًا لهؤلاء الباحثين، وتوجهت التحديات في قطاع المواد نحو المناحي التالية : استخدام مواد مختلفة ، دمج المواد واستخدام أكثر من مادة في الصنيع ، دقة الطّباعة.

استخدام مواد مختلفة

أكثر المواد استخداما في الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد هي البلاستيك الحراري، لأنه سهل التليين عند الطّباعة، ويتصلب في درجة حرارة الغرفة العادية . وأيّضا المواد العضوية مثل ( PLA, ABS) المكونتين من حمض "البوليلاكتيك" المستخرج من حمض اللاكتيك، ولكن المشكلة الأساسية في هذه المواد هي أنها تتقلص ويتغير شكلها وتتشوه عند تبريدها.
ولهذا يبحث العلماء والباحثون عن المواد الأكثر استقرارًا عند تسخينها أو تبريدها، كما أنهم يبحثون في موضوع طباعة المعادن، ويبحثون أكثر في مجال الطّباعة العضوية لما له من أهمية واستخدامات كبيرة خاصة في المجال الطبي.

دمج المواد وخلط أكثر من مادة مع بعضها البعض

لكل مادة خصائصها، ودمج أكثر من مادة مع بعضها البعض يعني أساليب وظروف وبيئات مختلفة للطباعة ، والأسلوب السائد حاليا لطباعة مجسم يحتوي موادَّ مختلفة ، هو العمل فيه على مراحل مختلفة، لكل مرحلة خصائصها وظروفها وأسلوبها المناسب للمادة المراد العمل بها. ولطباعة مجسم يحتوي على عدة مواد ، يجب أن تكون لهذه المواد خصائص معينة تتناسب مع ظروف طباعة المادة التي تليها، كأن لا تذوب لو تعرضت لحرارة أعلى أو لا يتغير شكلها.
حاليًا استطاع الباحثون والمطورون العمل على أكثر من لون من نفس المادة ، أو طباعة المجسم بأكثر من أسلوب ، مثل طباعة القطع الإلكترونية الصغيرة ، حيث يطبع البلاستيك على طابعة مخصصة لطباعة البلاستك ، ومن ثم على طابعة أخرى مخصصة للمعادن تطبع المكونات المعدنية، العمل المستقبلي في هذا الاطار هو لتحديد متى وأيّن تطبع مادة معينة في المجسم على نفس الطابعة دون تحريك القطعة أو نقلها من مكان إلى آخر.

دقة الطّباعة

دقة الطّباعة هي حجم كل طبقة في النموذج المراد طباعته، وتحدد دقة الطّباعة بتحديد حجم المادة الخارجة من رأس الطّباعة، وتقاس بالميكروميتر. تتراوح دقة الطباعات في أيّامنا هذه من 100 ميكروميتر إلى 0.1 ميكروميتر في الطابعات المتقدمة، ولكن هذه الدقة لن تكون كافية في المستقبل القريب، تبعا لحجم المجسم المطبوع وخصائصه، فبعض المجسمات الدقيقة مثل اعضاء جسم الإنسان والقطع الإلكترونية بحاجة إلى دقة أعلى لتجسيم التفاصيل الصغيرة فيها. وبناء على هذا ما زال المطورون يعملون على تحسين دقة الطّباعة، وأيضا يجرون البحوث على المواد التي تحافظ على خصائصها وتبقى قوية كفاية عند الطّباعة بتفاصيل أدق وأحجام أصغر، وقد توصلوا إلى دقة 200 نانو متر، وهي أعلى دقة موجودة إلى الآن.

الوقت اللازم لإتمام الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد

خفضت الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد مراحل التصنيع، بالإضافة إلى تخفيض الوقت اللازم للإنتاج ، فالمنتج الذي كان يحتاج إلى أسبوعين أصبح ينجز خلال 48 ساعة ، والتحدي الآن في تخفيض الوقت اللازم للطباعة بحيث يصبح أقل ما يمكن.

تكاليف الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد

أثبتت الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد أنها أقل تكلفة من الصناعة التقليدية ، وتقسم التكاليف إلى قسمين، القسم الأول وهو تكلفة الطابعة ثلاثيّة الأبعاد ، والثاني هو تكلفة المواد اللازمة للطباعة ، وقد تبين أن تكلفة المواد أعلى بكثير من تكلفة شراء الطابعة نفسها، ومعظم الاستثمارات تنفق على تصنيع مواد الطّباعة أو الأبحاث المتعلقة بها، أنظر إلى الجدول التالي الذي يوضح الفروقات في تكلفة الإنتاج التقليدي وتكلفة الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد بالإضافة إلى الزمن اللازم لكلّ منهما.
المطورون مازالوا يعملون لتخفيض تكلفة الطّباعة، وأصبح سعر الطابعات اليوم اقل ارتفاعًا من السابق، حيث وصل سعر الطابعة ثلاثيّة الأبعاد إلى 400$ وهو في متناول اليد، ولكن يجب أن ناخذ بعين الإعتبار أن أسعار الطابعات تختلف حسب المهمة المطلوب إنجازها، فالطابعات التي تستخدم في المجال الطبي أكثر تكلفة وأعلى سعرًا من تلك الطابعات الشخصية.
هذا ويجب لفت النظر إلى أن تكلفة الصناعة التقليدية تزداد كلما ازاد تعقيد المنتج المطلوب، بينما سعر الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد سيبقى ثابتا، لأن الطابعة تستطيع أن تنجز العمل المطلوب مهما كانت درجة تعقيده خلال مرحلة واحدة. الرسم البياني التالي يوضح الفرق بين تكلفة الصناعة التقليدية والطّباعة ثلاثيّة الأبعاد.

الاستخدامات

تستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بكثرة وبشكل أساسي في مجال الطب والصيدلة إلا أن لها تطبيقات في مجالات أخرى مثل الخزف والمعادن، وتشكيل قوالب الصب. ويقول إمانويل ساكس مبتكر الطباعة الثلاثية أن أساسيات تقنية الطباعة الثلاثية واحدة في كل حالة.
وتستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع منتجات تجارية ذات أسطح خاصة مثل المرشحات الصناعية وتتميز المرشحات المنتجة بطريقة الطباعة الثلاثية عن مثيلاتها المنتجة بطرق التشكيل التقليدية مثل طريقة التشكيل بالبثق أو طريقة الصب في القوالب، والتي غالبا ما تظهر بها بعض العيوب مثل التشققات (cracks).
وتتيح تقنية الطباعة الثلاثية كل الامكانيات لانتاج أسطح خاصة في مجال الخزف حيث يمكن التحكم في وضعية الأجزاء الدقيقة للخامات، مما يعرف بالطباعة الخزفية (ceraprinting).
إن طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد توحد المساحيق والمواد الرابطة بمرونة هندسية لم يسبق لها مثيل، وتختصر الطباعة الثلاثية الوقت اللازم لتسويق منتج جديد في العديد من المجالات وذلك بتحسين جودة المنتج، بالجمع بين التصميم والتصنيع مباشرة، وتخفض تكلفة المنتج بواسطة تخفيض تكلفة مرحلة التطوير و[التحديث[]].
كذلك يمكن زيادة معدل الانتاج بتخصيص كل ماكينة أو طابعة لانتاج نوعية واحدة من المنتجات، لذلك فإن الطباعة الثلاثية هي الثورة القادمة في التصنيع لكونها الرائدة في الانتاج السريع للنماذج الأولية وكذلك الأجزاء النهائية للمنتج.

المجال الطبي

يعد المجال الطبي من أكبر المجالات وأكثرها اهتماما بالطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، حيث أن الصناعة الطبية التقليدية واجت العديد من التحديات بدءاً بوقت التنصيع وأنتهاءً بالتكلفة العالية خصوصا إذا كانت الكمية المطلوبة من المنتج قليلة أو مخصصة لشخص واحد. فقد زودت الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد العالم بأمل لحل هذه المشاكل ، من خلال القدرة على إنتاج أيّ منتج مهما بلغت درجة تعقيده ، بالإضافة إلى تكلفة الإنتاج المنخفضة والثابتة نسبيا ، وتخفيض الوقت اللازم لتصنيع منتج معين والقدرة على تخصيص المنتجات . 
استخدامات الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد في المجال الطبي

منتج مخصص لكل مريض

حيث تقوم المستشفى بجمع البيانات الخاصة بالمريض، مثل صور كسور العظام، وترسل هذه البيانات عن طريق الإنترنت إلى أحد مصنعي الأدوات الطبية المعتمدين في العالم ، ليقوم بتصميم النموذج بناءً على البيانات المعطاة وطباعة هذا النموذج وإرساله أو بيعه إلى المستشفى مرة أخرى. وليس هذا وحسب، فقد تملك المستشفى الطابعة الخاصة بها في مختبر مجهز ومعقم ، حيث تقوم بطباعة هذه النماذج بنفسها، وهذا قد يساعد في تشكيل نماذج تساعد في تدريب الأطباء للقيام ببعض العمليات الخاصة. 
أهمية أخرى في هذا المجال، يمكن للمستشفى أن تقوم بجمع المعلومات والبيانات الخاصة بأحد الأعضاء لدى مريض معين وإرسالها لأحد المزودين الأساسين للطباعة ثلاثيّة الأبعاد أمثال " ريبليكا ثري دي ام – Replica 3dm " ، التي تشكلهم وتطبعهم وتبيعهم مرة أخرى للمستشفى. وقد يحصل المريض مستقبلا على ملف النموذج الخاص به من المستشفى، بحيث يستطيع طباعته أو استخدامه في المستقبل، مثل ملف خاص بعضو معين لديه كالكلية أو أحد كسور العظام ، كما يمكن للمشفى أن يرفع هذه الملفات إلى سحابة أو موقع مؤمّن ، يجمع العديد من المصنعين والمزودين لخدمة الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، بحيث يمكن طباعة هذه النماذج أو الإستفادة منها من قبل مرضى آخرين في العالم.

الطّباعة العضوية

في هذه التقنية حاول العلماء والمطورون طباعة خلايا حيّة، حيث تطبع هذه الخلأيّا لتخرج في وسط هلامي أو وسط سكري طبقة تلو الأخرى حتى يكتمل الشكل النهائي، وقد يحتوي هذا العضو المطبوع على الأوعية الدموية، أول منتج لهذا النوع من الصناعات كان في عام 2009 مبنيا على طريقة " نوفو جن – Novo Gen " للطباعة العضوية ، وفي عام 2013 قام علماء وباحثون صينيون بطباعة أعضاء من جسم الإنسان مثل أصابع ، وآذان وجلد ، وحتى الكلى، ، وفي نفس العام قام باحثون في بلجيكا بطباعة عظام فك لسيدة كبيرة في العمر، ومن المتوقع خلال العشر أو العشرين سنة القادمة أن يقوم الباحثون بطباعة أعضاء قادرة على العمل وإنجاز الوظيفة المطلوبة منها، تسمى هذه التقنية بالعديد من الأسماء مثل الطّباعة العضوية ، طباعة الأعضاء ، هندسة الأنسجة بمساعدة الحاسوب .

الطّباعة الدوائية – طباعة أقراص الدواء

تكنولوجيا الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد المستخدمة في مثل هذه الصناعة هي الطّباعة النقطية، حيث يطبع المجسم في صندوق من المسحوق مصنوعة من الدواء نفسه المراد تصنيعه، وما تمتاز به هذه التكنولوجيا عن غيرها ، أن الاقراص المطبوعة تكون مسامية أكثر، مما يسهل ذوبانها وامتصاصها ويزيد من فعاليتها، وأول دواء صنع بهذه الطريقة هو دواء لداء الصرع أثبت فعاليته أكثر من الدواء المصنع بالطريقة التقليدية ، وأول شركة قامت بمثل هذا النوع من الصناعات هي شركة "ابركيا – Aprecia" للصناعات الدوائية .

الدفاع والطّباعة ثلاثيّة الأبعاد

استخدام الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد في مجال الدفاع يتمثل بطباعة قطع بديلة عن تلك التالفة ، وحيث أن هذه القطع يجب أن تكون على درجة عالية من الصلابة والدقة - لأن أيّ خطأ فيها قد يكلف المئات من الأرواح - كان لا بد من اللجوء إلى الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، ولا تستخدم الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد فقط لطباعة قطع الغيار، وإنما أيّضا لطباعة مستلزمات التدريب المختلفة مثل المجسمات الخاصة بالتدريب العسكري من سواتر وغيرها، بالاضافة إلى صناعة المعدات مثل الطائرات بدون طيار.
خفضت الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد تكلفة الأنتاج من 100 ألف دولار للقطعة الواحدة إلى 40 ألف دولار ، وساهمت في توفير أكثر من 3.8 مليون دولار خلال الفترة ما بين 2004 – 2009 .

طباعة المَركبات

"يوربي – Urbee" هي أول سيارة مطبوعة بتقنية الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد ، أنتجت في عام 2010 مع هيكل ونوافذ مطبوعة كليا ، ولكن ليس الاجزاء الداخلية ، تلاها بعد ذلك طائرة " ايرباص A350 XWB" التي حوت أكثر من 1000 قطعة من القطع الداخلية للطائرة والمحرك، مصنوعة بواسطة الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، ولم يتوقف الأمر عند هذا فشركة بي ام دبليو لصناعة السيارات قامت بتصنيع الادوات الخاصة بفنييها بطريقة الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد لتحصل على معدات اخف وزنا وأكثر فعالية، وبهذا زادت إنتاجية موظفيها.
وجه آخر ساهمت به الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد في صناعة المركبات ، هو التسويق ، حيث اصبح من الممتع والأكثر جدوى إنتاج سيارت ثلاثيّة الأبعاد لعرضها كوسيلة للدعاية والإعلان ، أكثر من عرض نموذج على الحاسوب فقط باستخدام أحد برامج التصميم ثلاثيّة الأبعاد.

استخدام في المتاحف

يمكن بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد صناعة نماذج طبق الأصل في الشكل واللون للتحف الأثرية بغرض الحفاظ عليها في حالة تآكل الأصل أو ضياعه . يمكن في تلك الصناعة أيضا تصغير النموذج الناتج.