ما هي الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D؟ وكيف تعمل؟

أصبحنا اليوم نعيش في عالم يمضي نحو التطور بسرعة البرق، كل يومٍ نجد المزيد من الاكتشافات الجديدة أو تطورات هائلة لتكنولوجيا موجودة. وبالتأكيد تعتبر الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D Printing واحدة من أهم التقنيات التي ستشكل جزءًا كبيرًا من مستقبلنا وستغير الكثير من المفاهيم في حياتنا مثلها مثل تقنيات كثيرة كتقنية البلوك تشين التي ستساعدنا على القضاء على الكثير من الروتين وتوفير الكثير من الوقت والجهد، وأيضًا تقنية الحوسبة السحابية وغيرها من التقنيات التي سبق وشرحناها بالتفصيل على موقعنا. وفي مقال اليوم سوف نتحدث عن تقنية أخرى وهي الطباعة ثلاثية الأبعاد، وسنتعرف على تاريخ الطباعة ثلاثية الأبعاد وأنواعها ومميزاتها وخطوات هذه العملية.

ما هي الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D Printing؟

- هي عبارة عن عملية تصنيع وبناء للأشياء تتم من خلال تقنية متطورة تسمى التصنيع بالإضافة Additive Manufacturing، وهي تعتبر الوجه المضاد للتصميم بالطرح مثل عمليات التصميم عبر النحت أو القولبة، حيث تعتمد هذه العمليات على مفهوم "التفريغ"، فمثلًا إذا أردنا نحت شيء ما من جذع شجرة، فإننا نقوم بالتخلص من 50% إلى 90% تقريبًا من هذا الجذع من أجل الحصول على التصميم النهائي الذي نريده، بينما في الطباعة 3D فإن الأمر يكون مختلفًا.

- تتم عملية الطبع ثلاثي الأبعاد من خلال طابعات مخصصة، تقوم هذه الطابعات باستقبال ملف يحتوي على كافة المعلومات المطلوبة والتي تحتاجها الآلة من أجل إنشاء تصميم معين، بالإضافة إلى المادة الخام التي يتم التصنيع بها، وهذه المواد قد تكون من البلاستيك أو المطاط أو حتى المعادن، ثم بعد ذلك تبدأ الآلة في تصنيع النموذج طبقة فوق طبقة بتقنيات معينة تختلف حسب نوع الطابعة المستخدمة، لينتج لنا في النهاية نموذج حقيقي للتصميم الخاص بنا.

تاريخ الطباعة ثلاثية الأبعاد

- في الحقيقة فإن فكرة هذه التكنولوجيا ليست فكرة حديثة، بل يرجع وجود هذه الأفكار إلى فترة السبعينيات من القرن الماضي حين صاغ الكيميائي البريطاني David Jones أول مفهوم للطباعة ثلاثية الأبعاد، ثم أتى بعد ذلك الأمريكي Bill Masters ليحصل على أول براءة اختراع لعملية الطباعة الآلية عبر الكمبيوتر، ثم ألحقها بعد ذلك ببرائتين؛ لتشكل هذه الاختراعات الثلاث مفهوم الطباعة ثلاثية الأبعاد بالشكل الذي نعرفه اليوم.

- بعد ذلك جاء الأمريكي Charles Hull والذي استطاع الحصول على براءة اختراع أخرى لنظام الطباعة باستخدام التجسيم المرئي Stereolithography، ثم نجح من خلال شركته 3D Systems في إصدار أول طابعة ثلاثية الأبعاد. وقد توالت بعد ذلك عمليات الابتكار من قبل الكثير من الأشخاص لتطوير هذه التقنية وتقليل الوقت المستغرق لطباعة الأشياء باستخدامها.

خطوات عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D

- بالرغم من تعدد أنواع الطباعة 3D إلا أنها في الغالب تشترك في الخطوات التي تتم حتى تكتمل العملية ويتم تصنيع النموذج المطلوب، وقد تختلف من حيث التكلفة والمدة المستغرقة لإتمام العمل ونوع المواد المستخدمة في عملية الطباعة وبعض الأمور الأخرى، وهذه أبرز خطوات العملية.

1- القيام بتصميم النموذج

- الخطوة الأولى هي رسم أو تصميم النموذج ثلاثي الأبعاد الذي نسعى إلى تنفيذه، يمكن القيام بذلك من خلال أحد برامج التصميم 3D مثل برنامج أوتوكاد AutoCad أو برنامج ثري دي ماكس 3D MAX أو غيرها من البرامج. ويمكن أيضًا تحميل تصاميم 3D جاهزة للطباعة من بعض مواقع تحميل تصميمات 3D مثل موقع Free 3D.

2- تحويل التصميم لصيغة STL

- بعد الانتهاء من تصميم النموذج يجب الآن أن يتم حفظ الملف بصيغة STL وهو اختصار لمصطلح Standard Tessellation Language أو لغة الفسيفساء القياسية، وإذا لم يكن بهذه الصيغة فيجب أن يتم تحويله حتى نتمكن من إكمال عملية الطباعة. كما يجب أن يتم عمل فحص للملف من أجل تصحيح "Repair" من أجل علاج أي أخطاء قد توجد في التصميم النهائي. ويمكن الاعتماد على برنامج تصميم مجسمات ثلاثية الأبعاد في ذلك.

3- تحويل التصميم لكود مفهوم G-Code

- بعد ذلك يجب أن يتم تحويل الملف إلى ملف الأوامر G-Code، هذا الملف يتضمن كافة الأوامر التي يمكن للطابعة فهمها وتنفيذها، فهو يشمل درجة الحراراة التي ستؤدي لانصهار المادة الخام، عدد الطبقات التي ستكون النموذج، حجم المادة الخام التي سيتم استهلاكها، عدد النماذج المطلوبة وغيرها من العناصر. ويمكن الحصول على هذا الملف من خلال برامج مثل Slic3r وCura.

4- تجهيز وإعداد الطابعة

- في هذه الخطوة يتم إضافة كافة الأدوات التي ستحتاجها الطابعة من مواد خام وهي غالبًا تكون بكرة من الخيط المصنع من مادة بلاستيكية، بالإضافة إلى ملف الأوامر G-Code والذي يحتوي على كافة تفاصيل التصميم.

5- ترك الآلة لتقوم بالطباعة

- بعد تجهيز الآلة ستقوم بتركها لتبدأ عملية الطباعة بالشكل المطلوب. طبعًا الوقت المستغرق في هذه العملية يختلف حسب الآلة نفسها، النموذج الذي تريد تصميمه، حيث تبدأ الآلة في طباعة وتثبيت الطبقات بعضها فوق بعض حتى يتم الانتهاء من بناء النموذج المطلوب.

أنواع الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D

- هناك حوالي 9 تقنيات مختلفة يتم استخدامها في هذا المجال. طبعًا تختلف كل تقنية من حيث آلية الطباعة، المواد الخام التي من الممكن استخدامها، بالإضافة إلى نوع النماذج المطلوب بنائها. ولكن الأنواع التالية هي التقنيات الأكثر شيوعًا واستخدامًا في هذا المجال.

1- الطباعة المباشرة Direct 3-D Printing

- هذا النوع يعتمد على تقنية نفث الحبر Ink-jet Printing والتي تستخدم في الطباعة ثنائية الأبعاد أيضًا، حيث تتحرك فوهات الطابعة للأمام والخلف ولأعلى وأسفل من أجل صناعة الطبقات عبر نفث المادة الخام، ثم تكون هناك مواد رابطة Binders تستخدم لربط الطبقات معًا لزيادة قوتها وصلابتها.

2- الطباعة عبر البلمرة الضوئية Photopolymerization

- في هذا النوع يتم طباعة الطبقات من خلال عمليات الصهر والتجميد، حيث يتم صهر المادة الخام إلى حتى يمكن للآلة تشكيلها، ثم بعد ذلك يتم تعريض المادة المشكلة إلى شعاع ليزر ذو أشعة فوق بنفسجية، حيث تعمل هذه الأشعة على تحويل الحالة السائلة للبلاستيك إلى الحالة الصلبة، وهكذا طبقة بطبقة حتى يتم الانتهاء من النموذج المطلوب.

3- الطباعة عبر تجميع الجزيئات Selective Laser Sintering

- في هذا النوع يتم الاعتماد على إذابة المسحوق البلاستيكي للمادة الخام وصهر جزيئاته، ثم يتم وضعه بشكل معين يشبه سكب المادة المذابة في قالب لتتشكل حسب هذا القالب، وهي نفس الطريقة المستخدمة في صناعة الأشياء المعدنية عبر صهرها وإعادة تشكيلها حسب قالب معين تم تصميمه مسبقًا.

مميزات الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D

1. تتميز هذه التقنية بتوفير ضخم للوقت والجهد البشري
2. يمكن استخدامها في إنشاء نماذج معقدة ومتشابكة التصميم
3. يمكن باستخدامها بناء منازل بتكلفة منخفضة جدًا عن المنازل التقليدية
4. توفير الكثير من المواد الخام المهدرة في طرق أخرى للتصميم مثل النحت
5. تستخدم الطباعة 3D في الكثير من المجالات الهامة مثل الطب والهندسة والطيران
6. تنوع المواد الخام التي يمكن استخدامها في عملية الطباعة وسهولة الحصول عليها
7. انخفاض تكلفة الطابعات ثلاثية الأبعاد مع مرور الوقت؛ فسعرها قد يبدأ من 400$ أو أقل
8. يمكن لأي شخص الحصول طباعة أي شيء يريده بتفاصيل دقيقة وبالموصفات التي يريدها

تطبيقات واستخدامات الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D

1. البناء: تستخدم في بناء المنازل والشركات والمكاتب
2. الطب البشري: تستخدم في طباعة الأطراف وحتى بعض الأعضاء البشرية
3. التعليم: تستخدم لصنع نماذج تعليمية حقيقية للطلبة عن المواد التي يدرسونها
4. طب الأسنان: تستخدم في طباعة الأسنان المستخدمة في عمليات زراعة الأسنان
5. الصناعات الاستهلاكية: تستخدم في صناعة الملابس والأحذية من بعض المواد الخام
6. الطيران: تستخدم لصنع بعض أجزاء الطائرات والذي يخفض وزنها واستهلاكها للوقود
7. الهندسة المعمارية: تستخدم في صناعة النماذج الأولية المصغرة من المشاريع الكبرى
8. الفضاء: أصبح بإمكان رواد الفضاء طباعة أي قطع غيار يريدونها أثناء وجودهم في الفضاء
9. المركبات: استخدمت هذه التكنولوجيا في صناعة سيارة Urbee وطائرة إيرباص A350 XWB
10. الأدوية: أثبتت بعض الأدوية المصنّعة عبر الطّباعة النقطية قوة تأثيرها عن الأدوية المصنّعة تقليديًا

أسعار الطباعة ثلاثية الأبعاد في مصر

- مع مرور السنوات تستمر هذه التقنية في التطور والتحسن وينخفض سعر تكلفتها عن السنوات السابقة، وقد كانت أسعار هذه الطابعات مكلفة للغاية قبل سنوات قليلة، لكنها الآن أصبحت في المتناول وبتكلفة لا تعتبر باهظة. طبعًا تختلف أسعار هذه الأجهزة حسب التقنية التي تستخدم وسرعتها في التنفيذ والكثير من العوامل. يمكنكم مراجعة المقال التالي للتعرف على أفضل أنواع الطابعات ثلاثية الأبعاد وأسعارها في مصر.

* يُمكنكم أيضًا مشاهدة:
- ما هو لينكس؟
- ما هو التورنت؟
- ما هو الحاسوب الكمي؟
- ما هو الذكاء الاصطناعي؟
- ما هو الواقع الافتراضي؟
- ما هي تقنية الجيل الخامس؟