طباعة ثلاثية الأبعادوالمعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي، أحدثت ثورة في عمليات تصميم المنتجات وتصنيعها. فمن خلال بناء الأجسام طبقة تلو الأخرى من الأسفل إلى الأعلى، تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد إمكانية الإنتاج عند الطلب دون أدوات أو قوالب مخصصة. تتوفر الآن أنواع عديدة من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، ولكل منها مزاياها وقيودها الخاصة. يقدم هذا الدليل نظرة عامة شاملة على عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد الرئيسية المستخدمة اليوم.
نظرة عامة على طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد الرئيسية
يمكن تصنيف تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع إلى 7 أنواع:
الجدول: نظرة عامة على طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد الرئيسية
| طريقة | المواد | الخصائص الرئيسية | تطبيقات نموذجية |
|---|---|---|---|
| النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM) | اللدائن الحرارية مثل PLA، ABS، ABS | منخفضة التكلفة، قوة جيدة | النماذج الأولية، هواة الطباعة |
| الطباعة الحجرية المجسمة (SLA) | البوليمرات الضوئية | دقة عالية، سطح أملس | النماذج الأولية والتصنيع |
| التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) | اللدائن الحرارية، والمعادن | خواص ميكانيكية جيدة | النماذج الأولية الوظيفية والتصنيع |
| الاندماج النفاث المتعدد (MJF) | اللدائن الحرارية | طباعة سريعة ودقة جيدة | التصنيع والتخصيص الشامل |
| الذوبان بالحزمة الإلكترونية (EBM) | المعادن | أجزاء معدنية كثيفة بالكامل | التصنيع والفضاء والطيران |
| تصنيع الأجسام المغلفة (LOM) | الورق والمعدن والصفائح البلاستيكية | منخفضة التكلفة، أجزاء كبيرة | نماذج المفاهيم والأدوات |
| ترسيب الطاقة الموجهة (DED) | السبائك المعدنية | الأجزاء المعدنية الكبيرة والإصلاحات | صناعة الطيران والفضاء والسيارات |
كما هو موضح في الجدول، يعتمد اختيار طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد على عوامل مثل التطبيق المستهدف والمواد المناسبة والدقة والسرعة والتكلفة. لكل طريقة إيجابيات وسلبيات تجعلها مفضلة لاستخدامات معينة على غيرها.
يفحص باقي هذا الدليل كل واحدة من هذه التقنيات بتعمق أكبر.
النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM)
النمذجة بالترسيب المنصهر، أو FDM، هي أكثر أنواع الطباعة ثلاثية الأبعاد شيوعًا وبأسعار معقولة المستخدمة اليوم. في FDM، يقوم الطارد بتسخين خيوط اللدائن الحرارية إلى حالة شبه سائلة وترسيبها طبقة تلو الأخرى لبناء جسم ما.
كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM
تتضمن عملية التصنيع الأجنبي المباشر الآلي ما يلي:
- تسخين خيوط اللدائن الحرارية فوق درجة حرارة التحول الزجاجي لجعلها مرنة
- بثق المادة شبه المنصهرة من خلال فوهة على لوحة البناء
- تتبع طبقة ثنائية الأبعاد، والسماح لها بالتبريد والتصلب
- تحريك لوحة البناء لأسفل، وتكرار ذلك مع الطبقة التالية
تحتوي طابعات FDM على رأس طارد متحرك يتبع مسار أداة في إحداثيات X-Y أثناء ترسيب المواد. المواد الأكثر استخدامًا هي بلاستيك ABS و PLA. يمكن لماكينات البثق المزدوج الطباعة باستخدام دعامات قابلة للذوبان وألوان متعددة.
تطبيقات التصنيع الآلي المباشر الآلي
الجدول: الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM–؛ الاستخدامات والقدرات
| السمة | الوصف |
|---|---|
| التكلفة | طباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة، ماكينات أقل من 300 دولار |
| المواد | ABS، PLA، PLA، PETG، TPU المرن، والمواد المركبة |
| الدقة | ± 100 ميكرون، دقة متوسطة |
| السرعة | بثق متوسط، 30-100 مم/ثانية 30-100 مم/ثانية |
| حجم الجزء | صغير إلى متوسط، بحد أقصى 1 قدم مكعب تقريباً |
| التطبيقات الرئيسية | نماذج المفاهيم والنماذج الأولية وطباعة النماذج الأولية والطباعة الهاوية |
يُفضل استخدام تقنية FDM للتطبيقات غير الحرجة التي تستفيد من القدرة على وضع النماذج الأولية غير المكلفة والسريعة ومنخفضة الاستهلاك. إن متوسط الدقة والسطح النهائي يجعلها مناسبة لاختبار الشكل والملاءمة بدلاً من النماذج الأولية الوظيفية. يمكن حفر الأجزاء أو صنفرتها أو طلاؤها أو طلاؤها بالكهرباء بعد المعالجة.
مزايا الطباعة بتقنية التصنيع الميكانيكي المباشر
- انخفاض تكاليف الماكينات والمواد يجعلها في متناول الشركات الصغيرة
- الحد الأدنى من النفايات مقارنة بطرق الطرح
- سهولة الاستخدام مع الحد الأدنى من التدريب أو الخبرة المطلوبة
- القدرة على إيقاف الفتيل مؤقتاً وتغيير الفتيل للمطبوعات متعددة الألوان
- الأجزاء الوظيفية ذات الخواص الميكانيكية الجيدة والمقاومة الحرارية
حدود الطباعة بالتصنيع المباشر الآلي (FDM)
- دقة متوسطة تبلغ 100 ميكرون تحد من دقة التفاصيل الدقيقة
- خطوط الطبقة المرئية تؤثر على جودة تشطيب السطح
- عدد محدود من المواد مقارنة بالعمليات الأخرى
- تتطلب البروزات والجسور هياكل داعمة
بشكل عام، تحقق FDM توازنًا بين القدرة على تحمل التكاليف والقدرة على تحمل التكاليف مما يجعلها نقطة انطلاق متعددة الاستخدامات للشركات التي تستكشف فوائد التصنيع الإضافي.
الطباعة الحجرية المجسمة (SLA)
كانت الطباعة الحجرية المجسمة (SLA) أول عملية طباعة ثلاثية الأبعاد تجارية، تم اختراعها في الثمانينيات. ولا تزال خيارًا شائعًا لدقتها العالية وجودة سطحها.
كيف تعمل طباعة SLA
يستخدم جيش مستوى سطح البحر SLA وعاءً من راتنج البوليمر الضوئي السائل الذي تتم معالجته انتقائيًا طبقة تلو الأخرى باستخدام الليزر فوق البنفسجي.
الخطوات الرئيسية هي:
- منصة بناء تنخفض داخل حوض الراتنج السائل
- يتتبع شعاع ليزر المقطع العرضي للنموذج، ويعالج الراتنج
- ترتفع المنصة، مما يسمح للراتنج الطازج بالتدفق تحتها
- يتم تتبع الطبقة التالية فوق الطبقة السابقة مباشرةً
- بمجرد اكتمال النموذج، يتم شطفه ومعالجته بشكل أكبر
يتسبب الضوء في تشابك البوليمرات الموجودة في الراتنج، مما يحول الراتنج السائل إلى بلاستيك صلب بالشكل المطلوب. تعمل تقنية SLA على بناء نماذج مفصّلة للغاية مع تشطيبات سطحية ممتازة.
تطبيقات طباعة SLA
الجدول: الطباعة ثلاثية الأبعاد SLA –؛ الاستخدامات والقدرات
| السمة | الوصف |
|---|---|
| التكلفة | تكلفة معتدلة للماكينة، الراتنج 100-200 دولار/لتر |
| المواد | راتنجات قياسية ومصممة هندسياً، شفافة ومرنة وقابلة للصب |
| الدقة | عالية جدًا، حتى 25 ميكرون |
| السرعة | سريع، حتى 110 مم/ساعة |
| حجم الجزء | متوسط، بحد أقصى 1 قدم مكعب تقريباً |
| التطبيقات الرئيسية | نماذج أولية مفصلة، وقطع غيار للاستخدام النهائي، وطب الأسنان، والمجوهرات |
تجعل الدقة الدقيقة من جيش تحرير السودان مثاليًا لتطبيقات مثل النماذج التصورية والنماذج الأولية التصورية ومصففات الأسنان وسبك المجوهرات وقطع الاستخدام النهائي الدقيقة في مجالات الفضاء والرعاية الصحية والمنتجات الاستهلاكية.
مزايا طباعة SLA
- لمسة نهائية ممتازة للسطح وتفاصيل دقيقة تصل إلى 25 ميكرون
- دقة أبعاد عالية لملاءمة دقيقة
- خواص ميكانيكية جيدة مماثلة لقولبة الحقن
- يمكن فصل الدعامات بسهولة بعد الطباعة
عيوب طباعة جيش تحرير السودان
- راتنج البوليمر الضوئي أغلى من خيوط FDM
- المعالجة اللاحقة مثل محطات الشطف وغرف المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية اللازمة
- الراتنج حساس للضوء والرطوبة
- مجموعة محدودة من المواد مقارنة بالعمليات الأخرى
بشكل عام، يوفر جيش تحرير السودان الجنوبي توازنًا جذابًا بين السرعة والتفاصيل والقوة، مما يجعله عملية نماذج أولية سريعة متعددة الاستخدامات.
التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)
يستخدم التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) ليزر عالي الطاقة لدمج المواد المسحوقة طبقة تلو الأخرى لبناء جسم ثلاثي الأبعاد. تم تطويره من قبل كارل ديكارد في جامعة تكساس في الثمانينيات.
كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد SLS
تتضمن طباعة SLS:
- تقوم الأسطوانة بنشر طبقة رقيقة من المسحوق عبر منطقة البناء
- يقوم الليزر بتقطيع المسحوق بشكل انتقائي، متتبعًا المقطع العرضي للطبقة
- تنخفض منصة البناء، وتنتشر طبقة أخرى من المسحوق
- تتكرر العملية حتى يكتمل الجزء
- المسحوق الزائد يدعم المسحوق الزائد أثناء الطباعة
- تتم إزالة الأجزاء المكتملة من قاع المسحوق
يمكن استخدام مجموعة متنوعة من المساحيق البلاستيكية الحرارية والمعدنية في ماكينات SLS. يعمل الليزر على إذابة المسحوق تحت درجة غليانه مباشرة، مما يؤدي إلى دمج الجسيمات معًا بشكل متماسك.
تطبيقات طباعة SLS
الجدول: الطباعة ثلاثية الأبعاد SLS –؛ الاستخدامات والقدرات
| السمة | الوصف |
|---|---|
| التكلفة | تكلفة الماكينة عالية، وتكلفة المواد معتدلة |
| المواد | النايلون، TPU، TPU، PEEK، الألومنيوم، الصلب، السبائك |
| الدقة | ± 100 ميكرون للبلاستيك، ± 50 ميكرون للمعادن |
| السرعة | متوسط، 5-7 بوصة3/ساعة |
| حجم الجزء | متوسط إلى كبير، حتى 15 × 13 × 18 بوصة |
| التطبيقات الرئيسية | النماذج الأولية الوظيفية، وأجزاء الاستخدام النهائي، والأدوات |
تشمل المزايا الرئيسية لطباعة SLS الخواص الميكانيكية الجيدة والحد الأدنى من الدعامات والطباعة متعددة المواد. تُستخدم على نطاق واسع في النماذج الأولية الوظيفية في قطاعات السيارات والفضاء والقطاعات الطبية.
مزايا طباعة SLS
- قوة وخصائص حرارية ممتازة مع مسحوق النايلون 12
- لا حاجة لهياكل دعم مخصصة
- أجزاء كبيرة قابلة للطباعة في بناء واحد
- مجموعة متنوعة من المواد من البلاستيك إلى المواد المركبة
- هياكل معدنية مسامية ممكنة
عيوب طباعة SLS
- العملية القائمة على المسحوق فوضوية وتتطلب أنظمة مناولة
- دقة وضوح أقل حوالي 100 ميكرون
- سطح مسامي ومحبب يتطلب تنعيمه
- عدد محدود من السبائك المعدنية المتوفرة حاليًا
- ارتفاع تكلفة المعدات، خاصة بالنسبة للمساحيق المعدنية
بشكل عام، يمكن ل SLS إنتاج نماذج أولية وظيفية للغاية وأجزاء للاستخدام النهائي لا مثيل لها في معظم عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد الأخرى. وسيؤدي التقدم المستمر في المواد إلى توسيع قدراتها بشكل أكبر.
الاندماج النفاث المتعدد (MJF)
تم تطوير Multi Jet Fusion من قِبل HP، وهي عملية طباعة صناعية ثلاثية الأبعاد معروفة بسرعاتها العالية في البناء. وتستخدم رأس طباعة نافثة للحبر وليزر الأشعة تحت الحمراء لدمج مسحوق البوليمر طبقة تلو الأخرى.
كيف يعمل الاندماج متعدد النفاثات النفاثة
تتضمن عملية الطباعة MJF:
- طبقة من المسحوق منتشرة عبر منصة البناء
- تقوم رؤوس الطباعة النافثة للحبر بترسيب عوامل الصهر والتفصيل بشكل انتقائي
- تعمل مصابيح الأشعة تحت الحمراء على إذابة المسحوق وصهره حيث يتم وضع عامل الصهر
- توزع طبقة جديدة من المسحوق عبرها، وتكرر العملية
- يدعم المسحوق غير المصهور المسحوق غير المصقول أثناء الطباعة
- تتم إزالة الأجزاء المكتملة من قاع المسحوق
تنتج MJF قطعًا ذات جودة ممتازة بالألوان الكاملة، أسرع بما يصل إلى 10 مرات من SLS. كما يتيح النهج الطبقي أيضًا تدرجات وظيفية وخصائص مرنة.
تطبيقات طباعة MJF
الجدول: إمكانيات الاندماج متعدد النفاثات
| السمة | الوصف |
|---|---|
| التكلفة | تكلفة الماكينة عالية، وتكلفة المواد معتدلة |
| المواد | بلاستيك النايلون 12، بلاستيك PBT، بلاستيك TPU |
| الدقة | حتى 80 ميكرون |
| السرعة | سريع جداً، 5-15 سم/ساعة |
| حجم الجزء | متوسطة إلى كبيرة، حجم البناء 380 × 284 × 380 مم |
| التطبيقات الرئيسية | قطع غيار الاستخدام النهائي، والتخصيص الشامل، والأدوات |
تتمثل نقاط القوة الرئيسية في MJF في سرعته وجودته ووظائفه. وهي مثالية للإنتاج على المدى القصير في مجال السيارات والسلع الصناعية والطبية والاستهلاكية.
مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد MJF
- سرعات بناء سريعة للغاية من خلال نهج الطبقات المتكاملة
- خواص ميكانيكية ممتازة وتفاصيل مميزة
- إمكانية الطباعة بالألوان الكاملة بالألوان CMYK مع إمكانية التحكم في فوكسل
- التدرجات الوظيفية ومقاييس التحمل قابلة للتخصيص
- قابلية عالية لإعادة استخدام المسحوق غير المصهور
حدود صندوق التمويل المشترك المتعدد الوظائف
- عملية جديدة نسبيًا، تكلف الطابعة أكثر من 200 ألف دولار أمريكي
- محدودية توافر المواد بعد النايلون 12 حاليًا
- يتطلب التعامل مع المسحوق غير الملبد
- دقة أقل مقارنة بجيش تحرير السودان أو بولي جيت (حوالي 80 ميكرون)
- أحجام بناء أصغر من أنظمة SLS
ومع نضوج التكنولوجيا، تعد تقنية MJF بأن تكون حلاً جاهزاً للإنتاج في مجال التصنيع الإضافي يجمع بين السرعة والجودة والوظائف.
الذوبان بالحزمة الإلكترونية (EBM)
يستخدم الصهر بالحزمة الإلكترونية (EBM) شعاع إلكتروني قوي في الفراغ لصهر المساحيق المعدنية ودمجها في أجزاء كثيفة بالكامل طبقة تلو الأخرى. تم تطويره في السويد بواسطة Arcam AB في التسعينيات.
كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد EBM
تعمل عملية طباعة EBM على النحو التالي:
- ينتشر المسحوق المعدني بالتساوي عبر منصة بناء في الفراغ
- شعاع إلكترون يذيب المسحوق بشكل انتقائي لتتبع كل طبقة
- انخفاض درجات الحرارة قبل تسخين المسحوق إلى ما دون درجة الانصهار مباشرةً
- تنخفض صفيحة البناء ويضع ناشر المسحوق طبقة جديدة
- بمجرد الانتهاء، تُترك الأجزاء لتبرد قبل إزالتها من الماكينة
يمكن طباعة أي معدن موصل ثلاثي الأبعاد باستخدام تقنية EBM، ولكن سبائك التيتانيوم وكروم الكوبالت هي الأكثر شيوعًا. تضمن الطاقة العالية خصائص المواد الممتازة.
تطبيقات الطباعة الإلكترونية
الجدول: صهر الحزمة الإلكترونية –؛ الاستخدامات والقدرات
| السمة | الوصف |
|---|---|
| التكلفة | تكلفة الماكينة عالية جدًا، وتكلفة المواد معتدلة |
| المواد | سبائك التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ والنيكل والكروم الكوبالت |
| الدقة | ± 100 ميكرون أو أفضل |
| السرعة | معتدل، 40-50 سم3/ساعة تقريباً |
| حجم الجزء | متوسطة إلى كبيرة، حتى 275 × 275 × 275 × 380 مم |
| التطبيقات الرئيسية | غرسات تقويم العظام، وقطع غيار الطيران، والسيارات |
تقوم شركة EBM بتصنيع أجزاء معدنية كثيفة بالكامل للاستخدام النهائي للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومقاومة للحرارة والتوافق الحيوي. وكانت صناعة الطيران من أوائل الصناعات التي تبنت هذه التقنية.
مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد EBM
- معادن مصهورة بالكامل بخصائص مادية ممتازة
- دقة جيدة وتشطيب جيد للسطح
- تقلل الضغوط الداخلية المنخفضة من الالتواء
- تؤدي قوة الشعاع العالية إلى سرعة بناء جيدة
- يمكن إعادة استخدام المسحوق غير المستخدم، مما يقلل من تكاليف المواد
مساوئ الطباعة الإلكترونية
- تكلفة المعدات عالية جداً، مما يحد من الاعتماد
- تقتصر على المواد الموصلة للتيار الكهربائي، ومعظمها معادن
- يلزم إجراء معالجة لاحقة مثل إزالة الدعامات
- سرعات بناء معتدلة أبطأ من الطرق الأخرى
- تضيف أنظمة تفريغ الهواء تعقيدًا هندسيًا
وعموماً، يمكن أن تنتج الآلة الكهروضوئية الإلكترونية أشكالاً هندسية معقدة في معادن عالية الأداء لا مثيل لها في التصنيع التقليدي. وسيستمر نموها في تطبيقات الفضاء والطب والسيارات.
تصنيع الأجسام المغلفة (LOM)
يستخدم تصنيع الأجسام المصفحة، أو LOM، صفائح من المواد المربوطة معًا بالحرارة أو المادة اللاصقة لبناء جسم ثلاثي الأبعاد. تم تقديمه في عام 1985 من قبل شركة Helisysys Inc، التي استحوذت عليها شركة Cubic Technologies فيما بعد.
كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد LOM
تعمل عملية LOM على النحو التالي:
- يتم ربط صفائح من المواد معًا لتشكيل كتلة
- تقوم الأسطوانة المسخّنة بتصفيح كل ورقة جديدة على الرزمة
- يقوم الليزر أو السكين بقطع الخطوط العريضة لكل طبقة في الصفيحة
- تبقى المواد الزائدة في مكانها لدعم البروزات المتراكمة
- بمجرد اكتمال الطباعة، يتم فصل الجزء عن المواد الزائدة
يمكن استخدام الورق والبلاستيك والمواد المركبة والمعادن كمواد تصفيح. تعتبر LOM منخفضة التكلفة نسبيًا ويمكنها إنتاج أجسام ذات طبقات كبيرة.
تطبيقات طباعة LOM
الجدول: تصنيع الأجسام المصفحة –؛ السمات
| السمة | الوصف |
|---|---|
| التكلفة | انخفاض تكلفة الماكينة وانخفاض تكلفة المواد |
| المواد | الورق والبلاستيك والمواد المركبة والصفائح المعدنية |
| الدقة | متوسط، حوالي 200 ميكرون |
| السرعة | بطيء، يعتمد على ترابط الطبقات |
| حجم الجزء | كبير، حتى 16 قدماً × طول غير محدود |
| التطبيقات الرئيسية | نماذج المفاهيم، ودراسات النماذج، والأدوات |
تتمثل الميزة الرئيسية لـ LOM في القدرة على إنتاج مجسمات كبيرة ذات طبقات بسرعة وبتكاليف منخفضة. إنها طريقة رائعة لتقييم النماذج الأولية الجمالية والنماذج كاملة الحجم غير الممكنة بالطرق الأخرى.
مزايا طباعة LOM
- انخفاض تكاليف الماكينات والمواد يجعل من السهل الوصول إلى LOM
- حجم البناء غير محدود نظرياً
- الحد الأدنى من نفايات المواد أو المعالجة اللاحقة
- لا تحتاج إلى هياكل دعم
- سهولة دمج الخشب والورق والمواد المركبة
عيوب LOM
- دقة منخفضة حوالي 200 ميكرون
- خطوط الطبقة المرئية تؤثر على تشطيب السطح
- الفصل النهائي الممل للجزء المطبوع
- مواد وخصائص المواد المحدودة
- يمكن أن تستغرق طبقات الترابط وقتاً طويلاً
في حين أن الجودة ليست مناسبة للأجزاء الوظيفية، إلا أن تقنية LOM تظل تقنية مقنعة للنماذج الجمالية كاملة الحجم بأسعار مناسبة للمستهلك.
ترسيب الطاقة الموجهة (DED)
يستخدم الترسيب بالطاقة الموجهة (DED) مصدر حرارة مركّز مثل الليزر أو شعاع الإلكترون أو قوس البلازما لصهر المواد وترسيبها في وقت واحد. وهي عملية تصنيع مضافة قادرة على تصنيع أجزاء معدنية كبيرة.
كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد DED
تستخدم DED العملية العامة التالية:
- فوهة ترسب المسحوق المعدني في موقع دقيق
- يقوم مصدر طاقة مثل الليزر بصهر المسحوق لتشكيل رابطة معدنية
- يتم بناء الجزء طبقة بعد طبقة عن طريق ترسيب المواد وصهرها
- عادةً ما يتم تركيب أنظمة DED على أذرع متعددة المحاور لتغطية كاملة
- تقوم المتلاعبات بتدوير الجزء ووضعه أثناء تراكمه
- يلزم الحد الأدنى من هياكل الدعم أثناء الطباعة
يمكن لطباعة DED طباعة الميزات على المكونات الموجودة مثل أدوات الماكينات أو كتل المحركات. وهذا يتيح إصلاح الأجزاء المعدنية وتحسينها وتعديلها بسرعة.
تطبيقات طباعة DED
الجدول: ترسيب الطاقة الموجهة –؛ التطبيقات
| السمة | الوصف |
|---|---|
| التكلفة | ارتفاع تكلفة المعدات وارتفاع تكلفة المواد |
| المواد | الفولاذ المقاوم للصدأ، والتيتانيوم، والإينكونيل، وسبائك الكوبالت |
| الدقة | ± 100 ميكرون |
| السرعة | ارتفاع معدل الترسيب من 0.1-0.5 كجم/ساعة |
| حجم الجزء | كبير جداً وغير محدود مع تحرك الجهاز |
| التطبيقات الرئيسية | طلاء المعادن، والإصلاح، والأدوات، والطيران، والدفاع |
وتتمثل الميزة الرئيسية لتقنية DED في قدرتها على تصنيع مكونات معدنية كبيرة بأحجام غير محدودة تقريبًا وتعديل الأصول الموجودة.
مزايا الطباعة DED
- يمكن إنتاج قطع معدنية كبيرة جدًا تقاس بالأقدام
- محمولة للغاية، وقدراتها قابلة للنقل إلى الأصول عبر ذراع متعدد المحاور
- سرعة الاستجابة السريعة التي تُقاس بالساعات مقابل الأسابيع
- يمكن إضافة ميزات على الأجزاء المعدنية الموجودة
- تقليل نفايات المواد مقارنةً بالتشغيل الآلي
عيوب طباعة DED
- تكاليف المعدات عالية جداً بالملايين
- أوقات الدورات البطيئة التي تقاس بالساعات
- محدودية الدقة والتشطيب السطحي
- يتطلب تدريب مكثف للمشغلين
- ما بعد المعالجة مثل المعالجة الآلية المطلوبة لإنهاء الأجزاء
تُعد تقنية DED مناسبة بشكل أفضل لإضافة المواد المعدنية بسرعة مقابل إنتاج القطع النهائية. ومع تحسن التكنولوجيا، فإنها تعد بتحويل الإصلاح والتعديل الميداني في العديد من الصناعات.
كيفية اختيار تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد
مع وجود العديد من عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد للاختيار من بينها، كيف يمكنك اختيار الطريقة المناسبة للتطبيق؟
الخطوة 1: فهم متطلبات التصميم
أولاً، قم بتحليل المتطلبات الرئيسية لتطبيقك:
- ما هي المواد المستهدفة المطلوبة –؛ بلاستيك، معدن، بوليمر؟
- ما هي الدقة والتفاوتات المتوقعة؟
- ما هو حجم الجزء المطلوب وحجم البناء المطلوب؟
- هل يجب أن يكون السطح ناعمًا أم خشنًا؟
- هل يحتاج الجزء إلى خواص ميكانيكية محددة؟ القوة والمرونة والصلابة؟
- ما هي الكمية المطلوبة –؛ عدد قليل من النماذج الأولية أم عمليات إنتاج أعلى؟
- ما مدى السرعة التي يجب أن يكتمل بها المشروع؟
قم بتوثيق السمات التي يجب توفرها لتطبيقك. هذا يشكل الأساس لاختيار طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد.
الخطوة 2: ربط المتطلبات بتقنيات الطباعة
بعد ذلك، اربط متطلباتك بقدرات كل تقنية من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد:
- إذا كانت المعادن مطلوبة، فابحث في DMLS أو SLS أو EBM
- للحصول على سطح أملس، ضع في اعتبارك SLA، وDMLS، وPolyJet
- يمكن أن يوفر التصنيع الآلي المباشر المباشر قوة جيدة ونماذج أولية وظيفية
- يسمح LOM بطباعة أجزاء مجوفة كبيرة الحجم
- SLA وSLS وSLS والنفث بالمواد لتمكين الأجزاء متعددة المواد
- يعتبر نفث المادة الرابطة هو الأمثل لإنتاج مزيج عالي الجودة
قم بإنشاء جدول يربط بين المتطلبات وطرق الطباعة ثلاثية الأبعاد المحتملة لتصور التطابق.
الخطوة 3: الترتيب حسب الأهمية والتوافق
رتّب أولويات متطلباتك من الضروريات المطلقة إلى الأشياء الجميلة.
ثم صنف كل تقنية حسب مدى تطابقها مع أولوياتك على مقياس من 1-5.
سيوفر ذلك درجة موضوعية لمقارنة العمليات. أفضل تطابق يوازن بين المتطلبات والقدرات الرئيسية.
الخطوة 4: تقييم التكلفة والمهلة الزمنية والخبرة
ضع في اعتبارك أيضًا الاعتبارات العملية:
- ما هي خبرات ومهارات الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تمتلكها داخل الشركة؟ هل هناك حاجة إلى التدريب؟
- ما هي تكلفة المعدات وتكلفة التشغيل وتكلفة المواد التي تناسب ميزانيتك؟
- هل يمكنك إدارة متطلبات ما بعد المعالجة للطريقة؟
- ما هو الموعد النهائي لمشروعك؟ هل تتوافق سرعة البناء مع جدولك الزمني؟
وازن بين العوامل النوعية والكمية معاً لاتخاذ الخيار التكنولوجي الأمثل. استفد من خدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد إذا لزم الأمر لتقليل مخاطر الاعتماد.
الخطوة 5: التحقق من صحة النماذج الأولية
قبل وضع اللمسات الأخيرة، قم ببناء بعض النماذج الأولية الاختبارية على التقنيات المختارة للتحقق من توافقها.
قم بتقييم ما إذا كانت الدقة واللمسات النهائية والأداء الميكانيكي تتطابق مع النتائج المتوقعة وقم بتكرارها إذا لزم الأمر.
يخفف وضع النماذج الأولية من المفاجآت ويساعد على تثبيت أفضل عملية طباعة ثلاثية الأبعاد للتطبيق.
يضمن اتباع هذه المعايير المنظمة استهداف استثماراتك في الطباعة ثلاثية الأبعاد لتحقيق أقصى قدر من القيمة والمكاسب الإنتاجية.
مستقبل الطباعة ثلاثية الأبعاد
خطت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد خطوات سريعة منذ بدايتها قبل أكثر من 30 عامًا. ومن المتوقع أن يستمر السوق في النمو بمعدل 25% سنوياً، متجاوزاً 34 مليار دولار في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2024.
هناك العديد من الاتجاهات التي تغذي الاعتماد في مختلف الصناعات:
التقدم في المواد
تعمل البوليمرات الضوئية ثلاثية الأبعاد الجديدة القابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد والمواد المركبة والخيوط المرنة والسبائك المعدنية على توسيع قدرات إنتاج الأجزاء عالية الأداء.
التصنيع الهجين
يؤدي الجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع الآلي والروبوتات والعمليات الأخرى في منصة واحدة إلى زيادة الأتمتة.
التخصيص الشامل
تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد الرشيقة إمكانية إنتاج منتجات نهائية مخصصة على نطاق واسع مقابل النماذج الأولية فقط.
نمو المعادن
يتزايد الطلب على الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد بنسبة تزيد عن 50% سنويًا في قطاعات الطيران وطب الأسنان والطب.
التصنيع الموزع
تقلل مرافق الطباعة ثلاثية الأبعاد الموجودة بالقرب من نقطة الاستخدام من التكاليف اللوجستية والأثر البيئي.
سيؤدي التصنيع المضاف إلى تغيير التصميم والنماذج الأولية والإنتاج ونماذج الأعمال في قطاعات التصنيع والرعاية الصحية والسلع الاستهلاكية والبناء في العقد القادم.
الوجبات الرئيسية والملخص
النقاط الرئيسية التي يمكن استخلاصها من هذه النظرة العامة على تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد:
- توجد العديد من عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد، ولكل منها قدرات فريدة من نوعها
- يعتمد اختيار الطريقة المثلى على عوامل مثل المادة المستهدفة والدقة وحجم الجزء وكميات الإنتاج وما إلى ذلك.
- تقنية FDM هي الأقل تكلفة وتقنية FFF هي التقنية الأكثر استخدامًا
- يوفر SLA تشطيبات سطحية ممتازة وتفاصيل دقيقة
- تتيح SLS نماذج أولية وظيفية ذات خصائص جيدة
- يجمع MJF بين السرعة والجودة للإنتاج على المدى القصير
- تُستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الإلكترونية والطباعة ثلاثية الأبعاد للأجزاء المعدنية الكبيرة
- يستفيد التصنيع الهجين من الطباعة ثلاثية الأبعاد مع عمليات أخرى لتحقيق أقصى قدر من المرونة
- ستستمر التطورات في المواد والأساليب في توسيع نطاق التطبيقات
باختصار، يسمح فهم المبادئ الكامنة وراء كل تقنية من تقنيات التصنيع المضافة بتحديد أفضل عملية لمتطلبات منتج معين. ويوفر وضع النماذج الأولية للخيارات الرئيسية مزيدًا من التحقق من صحة النماذج الأولية لتقليل المخاطر. وبفضل تعدد استخداماتها وإنتاجيتها وإمكانات الحد من النفايات، تعد الطباعة ثلاثية الأبعاد بأن تكون تقنية تصنيع رئيسية في المستقبل في مختلف الصناعات.
التعليمات
فيما يلي إجابات لبعض الأسئلة الشائعة حول تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد:
س: ما هي تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الأرخص؟
ج: النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM) هي أكثر تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد ميسورة التكلفة. كل من المعدات وتكاليف المواد هي الأقل تكلفة بالنسبة إلى تقنية FDM باستخدام اللدائن الحرارية الشائعة مثل PLA وABS.
س: ما هي طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تتمتع بأفضل دقة؟
ج: توفر الطباعة المجسمة الليثوغرافية المجسمة (SLA) أعلى دقة من بين جميع تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة، حيث تتراوح بين 25 و100 ميكرون لمعظم البوليمرات الضوئية. وهذا ما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب تفاوتات دقيقة.
س: ما هي عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تتيح الطباعة متعددة الألوان؟
ج: تدعم طرق انصهار قاع المسحوق مثل النفث الكامل للألوان والاندماج النفاث المتعدد (MJF) المطبوعات متعددة الألوان من خلال التحكم الدقيق في ترسيب المواد. تتيح طرق بثق اللدائن الحرارية مثل FDM أيضًا مزج الألوان مع رؤوس طباعة متعددة.
س: ما المعادن التي يمكن طباعتها ثلاثية الأبعاد؟
ج: تُعد سبائك التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ والكروم الكوبالت والألومنيوم وسبائك النيكل المعادن الأكثر شيوعًا التي يمكن طباعتها ثلاثية الأبعاد باستخدام طرق الترسيب القاعي للمسحوق أو الترسيب بالطاقة الموجهة.
س: ما هي طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد الأفضل للأقمشة أو المواد المرنة؟
ج: تُعدّ النمذجة بالترسيب المنصهر باستخدام خيوط البولي يوريثان المرنة الطريقة الأكثر مباشرة لطباعة مواد مرنة ثلاثية الأبعاد ذات خصائص مرنة مشابهة للأقمشة والمطاط. يمكن لطباعة SLS أيضًا إنتاج أجزاء مرنة باستخدام مادة البولي يوريثين المسحوق.
س: ما حجم الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد؟
ج: يمكن للطابعات ثلاثية الأبعاد كبيرة الحجم للبناء إنتاج أجزاء يزيد طولها عن 50 قدمًا. ومع ذلك، بالنسبة لمعظم الأنظمة الصناعية، فإن الحد الأقصى لحجم الجزء هو:
- SLS: 15 × 13 × 18 بوصة
- SLA: 1 قدم مكعب
- تصميم FDM: 12 × 12 × 12 × 12 بوصة
- DED حجم غير محدود تقريبًا
س: ما هي عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد الأسرع؟
ج: من حيث سرعة الإنشاء، يمكن أن تحقق تقنية Multi Jet Fusion من HP سرعات تصل إلى 10-100 مرة أسرع من عمليات SLS وSLA. كما تتميز طرق DED أيضًا بمعدلات ترسيب عالية تصل إلى 0.5 كجم/ساعة، ولكنها تتطلب المزيد من التمريرات لبناء جزء كامل.
س: ما هي طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في الإنتاج الضخم؟
ج: إن النفث بالمادة الرابطة ونفث المواد هما الأكثر ملاءمة للإنتاج على نطاق واسع. تُعد FDM وSLS وMJF قابلة للتطبيق في التصنيع على المدى القصير حتى 10,000 وحدة. تتيح تقنية DED إنتاج كميات كبيرة من الأجزاء المعدنية.
س: ما مدى دقة الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية؟
ج: يمكن أن يحقق اندماج قاع المسحوق للمعادن دقة تتراوح بين 50 و100 ميكرون تقريبًا بينما يمكن أن يؤدي التصنيع الآلي والتشطيب إلى زيادة الدقة. يتميز الرذاذ البارد DED بدقة أقل حوالي 200 ميكرون.