س 2
صندوق Qidi
دليل شامل لمواد الطباعة ثلاثية الأبعاد
تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أحدثت الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورةً في التصنيع وتصميم المنتجات في السنوات الأخيرة. تُعرف أيضًا بالتصنيع الإضافي، حيث تُبني المنتجات طبقةً تلو الأخرى باستخدام مواد مثل البلاستيك والمعادن والسيراميك والمواد المركبة. ومع تطور قدرات تستمر أجهزة ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد في التقدمتتبنى المزيد من الصناعات هذه التقنية. ولكن مع توافر العديد من الآلات وخيارات المواد، قد يصبح الأمر مربكًا للمبتدئين. يهدف هذا الدليل إلى تقديم نظرة شاملة على تقنيات ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة.
أنواع تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد والمواد المفضلة
هناك عدة طرق لدمج المواد أثناء عملية الطبقات في الطباعة ثلاثية الأبعاد:
- نمذجة الترسيب المندمج (FDM) تقوم الطابعات بإخراج خيوط بلاستيكية حرارية ساخنة من خلال فوهة على لوحة البناء. يتم استخدام البلاستيك ABS وPLA بشكل شائع.
- الطباعة المجسمة (SLA) يُجمّد الراتنج السائل إلى بلاستيك مُقوّى باستخدام شعاع ليزر فوق بنفسجي موجه بواسطة مرايا مسح. صُمّمت الراتنجات لتكون منخفضة اللزوجة وسريعة التصلب.
- التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) يُلبّد مساحيق بلاستيكية أو سيراميكية أو معدنية دقيقة باستخدام ليزر عالي الطاقة. لا حاجة لهياكل دعم، ويمكن إنتاج خصائص داخلية معقدة.
- دمباشر مإيتال لآسر سالتفاعل ((DMLS) هي تقنية مسحوق مماثلة مصممة خصيصًا لمعالجة سبائك المعادن عالية القوة.
يمكن استخدام طرق أخرى، مثل نفث المواد ونفث المواد الرابطة، للطباعة بالألوان الكاملة أو استخدام سبائك معدنية فريدة. وتستمر الإمكانيات في التوسع مع تطور تقنيات ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد.
البلاستيك في الطباعة ثلاثية الأبعاد
يواصل مهندسو المواد تطوير إمكانيات اللدائن الحرارية للطباعة بتقنية FDM. إليكم بعض الأمثلة: خيوط متقدمة قادرة على طباعة منتجات نهائية متينة للاستخدام:
- ASA (أكريلونيتريل ستايرين أكريلات)يوفر مقاومة للأشعة فوق البنفسجية قريبة من ABS بالإضافة إلى القدرة على تحمل الطقس الخارجي.
- PC (بولي كربونات)تُنتج الشركة مكونات بلاستيكية فائقة القوة، قادرة على استبدال الأجزاء المعدنية المُشَكَّلة في بعض الحالات. ومع ذلك، تُعدُّ الخبرة في الطباعة أساسيةً لضمان التصاق جيد بين الطبقات.
- خيوط TPU (البولي يوريثين الحراري) وخيوط TPE المرنةتمكين المطبوعات الشبيهة بالمطاط مع قابلية انحناء استثنائية للتطبيقات مثل الأجهزة القابلة للارتداء أو المقابض المخصصة.
- PEEK (كيتون بولي إيثر إيثر)يتحمل المواد الكيميائية القاسية وإجراءات التعقيم، مما يجعله مناسبًا لتصنيع الأجهزة الطبية والأدوات العلمية. إلا أن السعر الباهظ لخيوط PEEK يحد بشدة من استخدامها خارج الصناعات.
الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن
حتى وقت قريب، كانت المعادن حكرًا على طابعات SLS أو DMLS الصناعية باهظة الثمن في قطاعي الطيران والطب. أما سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم والنيكل والألومنيوم، فهي شائعة الاستخدام. أما الطابعات المعدنية ثلاثية الأبعاد الأصغر حجمًا، المصممة لورش العمل والجامعات واستوديوهات التصميم، فقد توسّعت الآن نطاق استخدامها بفضل انخفاض تكاليف الأجهزة. وتستخدم معظمها ترسيب المعادن المقيدة لبثق خيوط مركبة تحتوي على ما يصل إلى 70% من مسحوق المعادن.
1. الفولاذ المقاوم للصدأ - قوة عالية ومقاومة للتآكل
طباعة الفولاذ المقاوم للصدأ يمنح ثباتًا أبعاديًا استثنائيًا للأجزاء المعرضة للاستخدام الخارجي أو للمواد الكيميائية. يسمح التصاق طبقة المعدن الملتصق بالترسيب بطباعة الجسور أو الأجزاء البارزة بدون دعامات.يمكن تصنيع الأجزاء وتشكيلها وتلميعها بعد التلبيد للحصول على خصائص تشبه الفولاذ المقاوم للصدأ المصنع بالطريقة التقليدية.
2. التيتانيوم - خفيف للغاية وقوي
تعمل الصناعات الفضائية في كثير من الأحيان مع سبائك التيتانيوم بسبب نسبة القوة إلى الوزن التي تفوق الألومنيوم. طباعة أجزاء التيتانيوم المعقدة ثلاثية الأبعاد قطعة واحدة، تجنب المفاصل الملحومة التي تُضعف هياكل التيتانيوم المُشَكَّلة. لا تزال أسعار مسحوق التيتانيوم المرتفعة تُشكِّل عائقًا أمام الصناعات التي تسعى للحصول على مكونات معدنية خفيفة الوزن، مثل رياضة السيارات.
3. الألومنيوم - معدن بديل متاح
يحظى الألومنيوم باستخدام واسع النطاق بفضل خفة وزنه ومقاومته للتآكل. تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن تجميع أجزاء الألومنيوم المخصصة التي صُنعت سابقًا. تستفيد نماذج الأدوات الأولية، ومكونات الروبوتات، ونماذج التصميم من... الألومنيوم المطبوع ثلاثي الأبعادمع انخفاض تكاليف الطابعات بشكل أكبر، يمكن للشركات الصغيرة الاستفادة من الأدوات الألومنيوم السريعة دون الاعتماد على الموردين الخارجيين.
الطباعة ثلاثية الأبعاد للسيراميك والمواد الغريبة
تتطلب السيراميكيات التقنية المصنوعة من الألومينا والزركونيا وكربيد السيليكون درجات حرارة عالية جدًا وأدوات دقيقة لتصنيعها بكفاءة. كان من المستحيل سابقًا إنتاج أجزاء مثل مراوح المضخات الخزفية وأنظمة توجيه الصواريخ خارج مصانع الصب المتخصصة. تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد على إزالة هذه الحواجز باستخدام تقنيات مسحوق الطباعة التي تقوم بتلبيد المكونات الخزفية المعقدة.
علاوة على ذلك، تتوسع الإمكانيات لتتجاوز مجرد السيراميك. فمع تزايد الأبحاث التي تبحث في استخدام مساحيق المعادن والسيراميك مع نفث المواد الرابطة، يمكن طباعة حتى المواد النادرة والثمينة كالفضة أو الذهب بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. قد تُسهّل هذه التقنية إنتاج غرسات طبية أو إلكترونيات مُخصصة تُدمج آثارًا موصلة مطبوعة من عجينة النحاس أو الجرافين الفعلية. وما زلنا في بداية استكشاف الإمكانات التي تمتد إلى... السيراميك المطبوع ثلاثي الأبعادوالزجاج والمواد الغريبة.
المواد المركبة والطباعة ثلاثية الأبعاد
في حين تظل البلاستيك والمعادن والسيراميك المواد التقليدية المستخدمة في التصنيع، فإن المركبات التي تجمع بين البوليمرات مع التعزيزات الأخرى توفر خصائص ميكانيكية متفوقة لا يمكن تحقيقها من خلال الطرق التقليدية.
1. مركبات ألياف الكربون المطبوعة ثلاثية الأبعاد
الطباعة بتقنية FDM مع خيوط ألياف الكربون يملأ الأجزاء ببوليمر خفيف الوزن وصلب. تتطلب الخيوط الصلبة فوهات فولاذية صلبة لطباعة مكونات مقاومة للتآكل أقوى من النايلون وتقترب من الألومنيوم. تتراوح التطبيقات من إطارات الطائرات الرباعية المخصصة إلى أجزاء السيارات عالية الأداء.
2. المركبات المملوءة بالمعادن والخشب
كما تُدمج نمذجة الترسيب المندمج بسهولة بلاستيك ABS وPLA القياسي مع مساحيق المعادن أو لب الخشب لتغيير الخصائص الجمالية والحرارية والوظيفية. تُشبه المطبوعات المُشبعة بالنحاس الأصفر والبرونز المعدن المُشَكَّل بصريًا مع الحفاظ على خفة وزن البلاستيك. حتى أن النقش الخشبي يُجسّد أنماط حبيبات واقعية لنماذج الأثاث الأولية.
كيفية اختيار مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد المثالية لك
مع وجود العديد من الآلات والمواد المتاحة الآن لكل تطبيق وميزانية، فإن مطابقة تقنية الطباعة بشكل صحيح لأهداف التصميم ومتطلبات المواد يتطلب البحث والنظر في العوامل الرئيسية التالية:
- وظيفة القطعة - هل ستتعرض لأحمال أو ظروف بيئية قاسية؟
- الدقة الأبعادية ودقة الطباعة المطلوبة
- الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة ومقاومة التآكل أو حدود درجة الحرارة
- تكاليف المواد - يمكن أن تحمل الخيوط الغريبة أسعارًا مميزة
- سهولة ما بعد المعالجة - من السهل إزالة دعامات الطباعة لبعض المواد
- طراز الطابعة ثلاثية الأبعاد ومواصفاتها - تختلف قدرات المواد.
مقارنة بين مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة باستخدام الخصائص الرئيسية
| مادة | ملكيات | معلمات الطباعة | يكلف |
|---|---|---|---|
| جيش التحرير الشعبى الصينى | قوة متوسطة، مرونة منخفضة، متانة معتدلة | 180-230 درجة مئوية | قليل |
| نظام ABS | قوي، مرن إلى حد ما، متين للغاية | 210-250 درجة مئوية | واسطة |
| بيت جي | قوية ومرنة ومتينة للغاية | 230-260 درجة مئوية | واسطة |
| تي بي يو | قوة متوسطة، مرونة عالية جدًا، متانة معتدلة | 220-250 درجة مئوية | متوسط-عالي |
| نايلون | قوة ومرونة عالية ومتانة ممتازة | 240-260 درجة مئوية | عالي |
| نظرة خاطفة | قوية للغاية، ومرنة بشكل طفيف، ومتانة عالية جدًا | 360-400 درجة مئوية | عالية جدًا |
| الراتنج | تختلف القوة والمتانة حسب النوع، غير مرن، معالج بالأشعة فوق البنفسجية | غير متوفر | عالي |
يُعدّ اكتساب الخبرة أمرًا بالغ الأهمية قبل البدء في عمليات البناء المعقدة. كما تُتيح الابتكارات المستمرة في المواد للطابعات ثلاثية الأبعاد إمكانيات أكبر كل عام. يُساعد الرجوع إلى البيانات الكمية، مثل بيانات السلامة أو البيانات الفنية، المهندسين والمصممين على اختيار المادة المثالية لكل تطبيق وتأهيلها.
معالجة ما بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد للأشياء
نادرًا ما تُلبي الطباعة الجديدة مباشرةً من لوحة البناء المتطلبات فور إخراجها من العلبة. تُحسّن عمليات التشطيب المتنوعة من المتانة والجمال والوظائف.
- إزالة الهياكل الداعمة- كسر الدعامات أو إذابتها في الحمامات الكيميائية.
- الصنفرة والبرد- يعمل على تنعيم الخطوات السطحية بين الطبقات المرئية في المطبوعات.
- التحضير والطلاء– تحتاج مطبوعات SLA على وجه الخصوص إلى التنعيم والختم والطلاء لإخفاء خطوات طبقة الطباعة التي تظهر بعد الصنفرة.
- ربط الأجزاء- لصق المكونات باستخدام المذيبات أو الإيبوكسي أو لحامات MABS لطبقات حمام السباحة.
- مطبوعات معدنية- تتطلب دورات إزالة الروابط والتلبيد لحرق البوليمرات ودمج المساحيق في المعادن الصلبة.
مستقبل مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد
تستمر الطباعة ثلاثية الأبعاد في التوسع من مجرد أغراض النماذج الأولية السريعة المتخصصة إلى تصنيع الأجزاء النهائية في مختلف الصناعات. مع وفورات الحجم، وانخفاض تكاليف الطابعات، وتنوع المواد، يُصبح مستقبل الإنتاج الموزع بالكامل وحسب الطلب ممكنًا. لكن الاستدامة الحقيقية تعتمد على إعادة تشكيل سلاسل التوريد للحفاظ على الموارد مع تقدم التكنولوجيا.
اختراقات في البلاستيك الحيوي المتجدد والكيمياء الخضراء يمكن أن يُقلل استخدام المواد الخام في الطابعات ثلاثية الأبعاد من الهدر واستهلاك الطاقة أثناء تصنيع المواد. كما يجب مراعاة إمكانية إعادة التدوير بشكل أكبر أثناء صياغة مواد مركبة أو بوليمرات تقنية جديدة. بفضل الجهود التعاونية بين الشركات والباحثين والجهات التنظيمية، يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن توفر وصولاً عادلاً وصديقًا للبيئة إلى السلع المصنعة عالميًا.
الوجبات الجاهزة
مع تطور الطابعات والمواد لتوفير دقة ومتانة ووظائف أعلى بتكلفة أقل، تتسع الآفاق. بفضل معرفة الأساليب والمواد الأساسية وتقنيات ما بعد المعالجة المذكورة هنا، يمكن للمهندسين الاستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصور تصاميم منتجات وأعمال جديدة كليًا. إن الحفاظ على ممارسات مسؤولة ومستدامة مع تزايد انتشار الطباعة ثلاثية الأبعاد سيضمن تطور هذه التكنولوجيا نحو مستقبل عادل ومزدهر عالميًا.
