كيف تعمل الطابعة ثلاثية الأبعاد؟

تُصنّع الطابعة ثلاثية الأبعاد أجسامًا مادية بإضافة طبقات من المواد من تصاميم رقمية. وقد أصبحت هذه الآلات أدوات قيّمة في مجالات عديدة، إذ يستخدمها المهندسون لصنع نماذج أولية، ويصنع الأطباء أجهزة طبية، ويصنع الهواة قطعًا مخصصة في منازلهم. تعمل الطابعة بمواد متنوعة، معظمها من البلاستيك، بالإضافة إلى مواد مركبة متخصصة، باتباع تعليمات رقمية دقيقة لوضع كل طبقة في مكانها الصحيح. تُسهّل هذه التقنية إنتاج أشكال معقدة وعناصر فريدة مخصصة يصعب صنعها بأي طريقة أخرى.

المكونات الأساسية للطابعة ثلاثية الأبعاد

طابعة ثلاثية الأبعاد يحتاج النظام إلى خمسة أجزاء رئيسية ليعمل بشكل صحيح. يلعب كل مكون دورًا محددًا في تحويل التصاميم الرقمية إلى أشياء مادية.

رأس الطباعة والطارد

يحمل رأس الطباعة جهاز البثق، الذي يُذيب مادة الطباعة ويضعها. يُسخّن هذا الجهاز خيوطًا بلاستيكية ويدفعها عبر فوهة صغيرة. يؤثر حجم الفوهة على دقة تفاصيل مطبوعاتك.

بناء المنصة

منصة الطباعة (منصة البناء) هي السطح المستوي الذي تُطبع عليه المواد. يجب أن يكون مستويًا حتى تلتصق المطبوعات بشكل صحيح. العديد من الطابعات مزودة بألواح تسخين لمنع البلاستيك من الالتواء أثناء تبريده.

نظام الحركة

تستخدم الطابعة المحركات للتحرك في ثلاثة اتجاهات:

• يسار/يمين (محور X)
• للأمام/للخلف (المحور Y)
• أعلى/أسفل (محور Z)

تتحرك هذه المحركات بخطوات صغيرة جدًا لوضع المادة بدقة.

وحدة التحكم

تتولى وحدة التحكم إدارة عملية الطباعة. تحتوي معظم الطابعات على شاشة تعرض:

• ما مقدار الطباعة التي تم إنجازها
• درجة حرارة
• إعدادات المواد
• أي مشاكل

نظام تغذية الخيوط

ينقل هذا النظام مواد الطباعة من البكرة إلى الطارد. ويشمل:

• ترس يدفع الخيط
• الأنابيب التي توجه المادة
• الأجزاء التي تحافظ على التوتر المناسب
• جهاز استشعار للتحقق من نفاد المواد

يجب أن تعمل هذه المكونات معًا بسلاسة لتحقيق الطباعة الناجحة. الصيانة الدورية يساعد تصميم كل جزء على منع مشاكل الطباعة ويضمن جودة طباعة جيدة.

كيف تعمل الطابعة ثلاثية الأبعاد؟

تعمل الطابعة ثلاثية الأبعاد كمسدس غراء ساخن آلي دقيق للغاية. تذيب المادة البلاستيكية وتضعها طبقة تلو الأخرى، وفقًا لمخطط رقمي، حتى يكتمل المنتج النهائي. تتكون العملية بأكملها من ثلاث خطوات رئيسية.

إعداد النموذج الرقمي

ابدأ بملف نموذج ثلاثي الأبعاد - مخططك للطباعة. أنشئ نموذجًا باستخدام برنامج CAD أو نزّل نماذج جاهزة من مواقع مثل Thingiverse. يُعالَج النموذج بواسطة برنامج تقطيع، يقطعه إلى طبقات رقيقة ويُنشئ تعليمات يمكن للطابعة اتباعها. يتيح لك البرنامج ضبط الإعدادات المهمة مثل سرعة الطباعة، ودرجة الحرارة، ومدى صلابة الجزء الداخلي من المنتج.

إعداد الطابعة

تحتاج الطابعة إلى إعداد دقيق للحصول على نتائج جيدة. حمّل الطابعة التي اخترتها خيوط بلاستيكية من خلال وحدة التغذية إلى الفوهة الساخنة. يجب أن يكون سطح الطباعة مستويًا تمامًا - يمكنك ضبط البراغي الصغيرة أسفل السطح لضبطه بشكل صحيح. اضبط درجات الحرارة المناسبة: عادةً ما بين 180 و220 درجة مئوية للفوهة و50-60 درجة مئوية للسطح، حسب نوع المادة.

عملية الطباعة

تبدأ الطابعة بوضع الطبقة الأولى ببطء شديد تأكد من أنها تلتصق جيدًاثم تُكوّن كل طبقة، عادةً بسُمك يتراوح بين 0.1 و0.3 مم. داخل القطعة، تُنشئ الطابعة نمطًا يشبه قرص العسل لتعزيز المتانة مع الحفاظ على البلاستيك. أما بالنسبة لأي أجزاء مُعلّقة في الهواء (مثل أذرع الشخصيات)، فتُضيف الطابعة دعامات قابلة للإزالة.تتحرك الفوهة بدقة في ثلاثة اتجاهات: اليسار - اليمين، الأمام - الخلف، والأعلى - الأسفل، مما يؤدي إلى وضع البلاستيك المذاب بالضبط حيث تكون هناك حاجة إليه.

تعتمد جودة الطباعة بشكل كبير على الإعداد والإعدادات الصحيحة. قد تستغرق طباعة الأشياء الصغيرة 30 دقيقة، بينما قد تستغرق طباعة الأشياء الكبيرة أو المفصلة ساعات طويلة.

ما هي المواد التي يمكن للطابعات ثلاثية الأبعاد استخدامها؟

يمكن للطابعات ثلاثية الأبعاد العمل مع العديد من المواد المختلفةلكن يبقى البلاستيك الخيار الأكثر شيوعًا. لكل مادة خصائص محددة تجعلها مناسبة لاستخدامات مختلفة.

المواد البلاستيكية الأساسية

خيوط PLA هي أسهل مادة للطباعة. فهي مصنوعة من نشا الذرة، وتطبع في درجات حرارة منخفضة، وتُناسب القطع الزخرفية والأجزاء الأساسية. أما مادة ABS فهي أكثر متانة وتتحمل الحرارة بشكل أفضل - وهي نفس البلاستيك المستخدم في مكعبات ليغو. أما مادة PETG، فهي تجمع بين سهولة الطباعة والمتانة العالية، وهي آمنة للاستخدام في حاويات الطعام. يبلغ سعر هذه المواد الأساسية حوالي 20-30 دولارًا للكيلوغرام.

المواد المتخصصة

بعض المواد لها خصائص فريدة. مادة TPU مرنة كالمطاط، مثالية لأغلفة الهواتف أو نعال الأحذية. النايلون قوي ومتين للغاية، مثالي للأجزاء الميكانيكية. تحتوي الخيوط المملوءة بالخشب على جزيئات خشب حقيقية، ويمكن أن تبدو كالخشب الطبيعي. توجد أيضًا مواد مملوءة بالمعادن، ولكنها تتطلب طابعات خاصة.

اختيار المادة المناسبة

اختر المواد الخاصة بك بناءً على ما تقوم بصنعه:

• للألعاب وعناصر العرض: جيش التحرير الشعبى الصينى
• للأجزاء الخارجية أو أجزاء السيارة: ABS أو PETG
• للعناصر المرنة: تي بي يو
• للحصول على أدوات قوية: نايلون
• للعناصر الزخرفية:مملوءة بالخشب أو المعدن

يتزايد تنوع المواد المتاحة مع تطور تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يُنصح بالبدء بأساسيات PLA للمبتدئين، ثم تجربة مواد أخرى مع اكتساب الخبرة.

ما الذي يؤثر على جودة الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

هناك عدة عوامل رئيسية تُحدد ما إذا كانت طباعتك ناعمة ودقيقة أم خشنة ومشوهة. ضبط هذه الإعدادات بشكل صحيح يُؤدي إلى نتائج طباعة أفضل.

الدقة وارتفاع الطبقة

يتحكم ارتفاع الطبقة في مدى تفصيل الطباعة. الطبقات الأرق (0.1 مم) تُعطي أسطحًا أكثر نعومة، لكنها تستغرق وقتًا أطول في الطباعة. أما الطبقات الأسمك (0.3 مم) فتُطبع أسرع، لكنها تُظهر خطوطًا واضحة. حجم الفوهة مهم أيضًا، حيث تُناسب فوهة 0.4 مم معظم المطبوعات، بينما تُتيح فوهات 0.2 مم الحصول على تفاصيل أدق.

سرعة الطباعة

السرعة ليست بالضرورة الأفضل. عند الطباعة بسرعة كبيرة، قد لا تلتصق الطبقات جيدًا، وقد تتشوش التفاصيل، وقد تتخطى الطابعة خطوات الطباعة، مما يؤدي إلى إزاحة الطبقات. تحتاج الأجزاء المعقدة إلى سرعات أبطأ تتراوح بين 30 و50 مم/ثانية للحصول على أفضل النتائج. يمكن طباعة الأجزاء البسيطة بسرعة أكبر تتراوح بين 60 و80 مم/ثانية، ولكن انتبه لمشاكل الجودة.

إعدادات درجة الحرارة

لكل مادة درجات حرارة محددة. الطباعة على درجة حرارة عالية جدًا تُسبب تشابكًا وبقعًا، بينما الطباعة على درجة حرارة منخفضة جدًا تُضعف التصاق الطبقات. عادةً ما تُطبع مادة PLA عند درجة حرارة 190-210 درجة مئوية، بينما تُطبع مادة ABS عند درجة حرارة 230-250 درجة مئوية، وPETG عند درجة حرارة ٢٢٠-٢٤٥ درجة مئوية. درجة حرارة سطح الطباعة مهمة أيضًا، فهي تساعد على التصاق الطبقة الأولى وتمنع الالتواء أثناء تبريد المادة.

التبريد وتدفق الهواء

يساعد التبريد الجيد على تصلب البلاستيك بسرعة بعد خروجه من الفوهة. تحتوي معظم الطابعات على مراوح صغيرة بالقرب من الفوهة. يمنع التبريد الجيد ترهل الأجزاء البارزة وفوضى الجسور التي يفصل البلاستيك بينها. تحتاج بعض المواد، مثل ABS، إلى تبريد أقل لمنع الالتواء، بينما يحتاج PLA إلى تبريد أكبر للحصول على تفاصيل أكثر وضوحًا.

معايرة الطابعة

المعايرة المنتظمة تضمن دقة طابعتك. افحص مستوى سطح الطباعة باستمرار، فهو ضروري لالتصاق الطبقة الأولى. حافظ على شد الأحزمة جيدًا لمنع انزلاق الطبقات.اضبط خطوات الطارد لضمان تدفق الكمية المناسبة من البلاستيك. تحقق من قطر الخيط، إذ يؤثر على كمية المادة المطبوعة. حتى أخطاء المعايرة الصغيرة يمكن أن يؤدي إلى إتلاف المطبوعات.

ما هي حدود الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

على الرغم من تعدد استخداماتها، تواجه الطباعة ثلاثية الأبعاد قيودًا عملية عديدة تؤثر على ما يمكنك صنعه وتكلفته. تساعد هذه القيود في تحديد ما إذا كانت الطباعة ثلاثية الأبعاد الخيار الأمثل لمشروعك.

حدود حجم البناء

معظم الطابعات ثلاثية الأبعاد المنزلية مساحة البناء محدودة، عادةً حوالي 200 مم × 200 مم × 200 مم. يجب طباعة القطع الأكبر حجمًا على شكل قطع وتجميعها. توجد طابعات أكبر حجمًا، لكنها أغلى ثمنًا وتشغل مساحة أكبر. قد لا تُطبع التفاصيل الصغيرة جدًا التي يقل حجمها عن 0.5 مم بشكل جيد نظرًا لحدود حجم الفوهة.

أوقات إنتاج طويلة

الطباعة ثلاثية الأبعاد ليست عملية سريعة. قد تستغرق طباعة غطاء هاتف بسيط ساعتين إلى ثلاث ساعات، بينما تستغرق طباعة الأجسام المعقدة أيامًا. يؤثر ارتفاع الطبقة بشكل كبير على وقت الطباعة - فخفض ارتفاع الطبقة إلى النصف يضاعف وقت الطباعة. طباعة عدة عناصر دفعة واحدة توفر الوقت، ولكن في حال تعطل أحد الأجزاء، فقد تتأثر جميع الأجزاء.

تكاليف المعدات والمواد المرتفعة

تتراوح التكلفة الأولية للطابعة الأساسية بين ٢٠٠ و١٠٠٠ دولار أمريكي. وتتراكم تكاليف المواد - فبينما يكلف كيلوغرام واحد من الخيوط الأساسية ٢٠-٣٠ دولارًا أمريكيًا، قد تكلف المواد المتخصصة أكثر من ذلك بكثير. تُهدر عمليات الطباعة الفاشلة الوقت والمواد. ورغم أن استهلاك الكهرباء ضئيل، إلا أن الطابعات تحتاج إلى صيانة وقطع غيار من حين لآخر.

قوة المواد وقيود الاختيار

لا يمكن طباعة جميع المواد بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. فمعظم الطابعات المنزلية تعمل فقط باللدائن الحرارية. وتتطلب طباعة المعادن معدات متخصصة باهظة الثمن. وتكون الأجزاء المطبوعة أضعف عمومًا من الأجزاء المصبوبة بالحقن، وخاصةً في اتجاهات معينة. وتقتصر الألوان على ما هو متوفر في شكل خيوط، وتتطلب الطباعة متعددة الألوان معدات خاصة أو تغييرات يدوية للخيوط.

اصنع أشياء مخصصة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد!

تتيح لك الطباعة ثلاثية الأبعاد صنع أغراض مخصصة في منزلك. ورغم محدودية حجمها وسرعتها، إلا أنها مثالية لإنشاء عناصر ونماذج أولية فريدة. العملية بسيطة: صمم غرضك، وجهّز طابعتك، وشاهدها تُبنى طبقة تلو الأخرى. يساعدك البدء بمواد أساسية مثل حمض البولي لاكتيك (PLA) والمشاريع البسيطة على تعلم العملية. ومع تطور مهاراتك، يمكنك التعامل مع مطبوعات أكثر تعقيدًا باستخدام مواد مختلفة.