آفاق جديدة أمام الطباعة ثلاثيّة الأبعاد

ترمز الطباعة ثلاثية الأبعاد لمجموعة من التقنيات تسمى "التصنيع بالإضافة"، والتي بدأت تتطور منذ منتصف الثمانينيات. وتتركز هذه الطريقة في التصنيع على تكوين القطعة عن طريق إضافة المادة طبقة تلو الأخرى. وهي تختلف عن الطريقة المعتادة والتقليدية في التصنيع والتي تتركز حول الإنقاص التدريجي للمادة أو تحريفها (تضليع، قطع أو طي).

وتوضع المادة الأساسية والتي يمكن أن تكون من البلاستيك، أو المعدن أو الرمل أو غير ذلك، عن طريق فوهة الطابعة على الطبق الأفقي. وعند كل مسح أفقي عن طريق فوهة الطابعة ثلاثية الأبعاد، تتكون طبقة من القطعة الجاري تصنيعها. وكل تحريك أفقي لرأس الطابعة أوالطبق الأفقي ينتج عنه انتقال إلى الطبقة الموالية. وبتسلسل إضافة الطبقات، طبقة طبقة، تصنع الأشياء من دون خسائر تذكر في المادة الأولية، مع إمكانية تنويع الأشكال والتي يصعب تصنيعها بالطريقة التقليدية.

وتصنّف الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى ثلاث أقسام رئيسية بحسب التكنولوجيا المستخدمة.
التكنولوجيا الأولى، وهي الطريقة السهلة والأكثر انتشاراً وتستعمل في معظم الطابعات ثلاثية الأبعاد. وترتكز على وضع كمية من الخيط البلاستيكي المذاب في فوهة تخريج ساخنة.
وتتحرك الفوهة أفقياً لرسم الشيء المراد صنعه على الصحن القاعدي في الطابعة. وللانتقال إلى رسم الطبقة الثانية، يكفي في ذلك التحرك عمودياً، وهكذا دواليك لغاية الانتهاء من تصنيع القطعة. وتتكون المادة البلاستيكية من (acrylonitrile butadiene styrene)، أو من (polylactic acid).

وتعتبر هذه التقنية في التصنيع الأقل دقة، غير أن لها عدة إيجابيات، منها الكلفة البسيطة وسهولة الاستخدام وصغر حجم الطابعة وسهولة صيانتها.
أما التكنولوجيا الثانية للطابعات ثلاثية الأبعاد، فترتكز على توزيع المادة في حالة فيزيائية سائلة، والتي بدورها تتصلّب عند تعرّضها إلى شعاع ضوئي. وتسمى هذه التقنية (Stereolithography)، وهي أقدم من الأولى وأكثر دقة. وقد حصلت على براءة الاختراع منذ 1984 وحصل عليها المهندس الأميركي Chuck Hulls، والذي يرأس حالياً شركة (3D Systems) وهي أكبر شركة عالمية في التخصص.

ويستخدم ليزر فوق البنفسجي كمصدر للضوء، من أجل عملية البلمرة ما يؤدي إلى تصلّب المادة السائلة الحساسة للضوء. فعند مرور أي شعاع ليزر على صحن قاعدة الطابعة، يتحول السائل في كل طبقة الواحدة تلو الأخرى إلى راتنج (لدائن)، والتي تتصلّب لغاية اكتمال القطعة المراد تصنيعها.

ولهذه التقنية عدة خيارات، نذكر منها المعالجة الرقمية بالضوء (digital Light Processing)، أي يقوم شعاع الضوء بمسح خزان البوليمير باستخدام رقاقة عالية الوضوح والتي تحتوي على عدد كبير من المرايا المجهرية. وتستغل الشركة الألمانية (EnvisionTEC) هذه التقنية والتي تميّزت بدقتها التي بلغت حدود 15 ميكرومتراً لكل طبقة.

كما تتوفر تقنية أخرى، تسمى (polyJet)، وهي مشابهة للطباعة الحبرية النفاثة، والتي تستخدمها الشركة الأميركية Stratasys، عملاق الطباعة ثلاثية الأبعاد. وتستطيع تقنية polyjet من مزج عدة أنواع من البلاستيك ذات الصفات الفيزيائية المختلفة (مرن أو صلب، شفاف أو لا، يتحمل الحرارة أو لا، وغيرها)، في القطعة نفسها أثناء طباعتها.

وتعتمد الجودة في الطباعة ثلاثية الأبعاد على عدة عوامل، وبالخصوص على الدقة وسمك الطبقة. وتقاس الدقة عموماً بوحدة نقطة على الإنش وهي تمثل عدد الجزيئات من المادة التي تستطيع الطابعة وضعها في وحدة المساحة. ويمكن تسميتها الدقة الأفقية. أما الدقة العمودية، فهي سمك الطبقة والتي تقاس بالميكرومتر أو المليميتر.

وتصل دقة الطباعة في تكنولوجيا (stereolithography) إلى بعض العشرات من الميكومتر أو أقل، ما يناسب عمل نماذج ذات جودة عالية، تستنسخ وظائف ومواصفات المنتج إلى درجة قريبة، بما يرضي المهندس والمصمم الصناعي. وتستخدم كثيراً في استوديوهات التصميم ومختبرات الأبحاث والتطوير لشركات صناعية كبرى مثل نايك وأديداس.
وتستخدم هذه التكنولوجيا كذلك في مجالات عدة، منها صناعة الأطراف البديلة، والمجوهرات والأشياء الثمينة، والمساعدات السمعية ذات القياسات الخاصة، وغيرها.

أما التكنولوجيا الثالثة للطابعات ثلاثية الأبعاد، فتعتمد على الالتحام التدريجي لجزيئات المادة الموجودة بشكل مسحوق. وتستخدم في عملية الالتحام عدة طرق منها: التلبّد بالليزر (Selective Laser Sentering). وتعمل هذه الطريقة باستخدام شعاع ليزر قوي من أجل التسخين الموضعي داخل غبار المادة المسحوقة والتي تلتحم طبقة طبقة مكونة بذلك القطعة المراد تصنيعها.
وتعتبر هذه الطريقة المفضّلة لدى مكاتب التصميم المعماري، حيث تستخدم لإنجاز مجسمات المشاريع، ولدى الفنانين والمصممين لأجل إبداع منحوتات فنية معقدة. كما تستخدم لصناعة قطع غيار خاصة، أو أكسسوارات كاملة، مثل: أغلفة الهواتف أو علب خاصة بمقاييس دقيقة.

وتأتي الطابعات التي تستخدم هذه التكنولوجيا، أكبر حجماً وأغلى كلفة، حيث يصل سعرها إلى أكثر من 100 ألف دولار. وتستخدم معظمها مادة البولي أميد (polyamide) لإنتاج النماذج أو المنتجات النهائية. كما يمكن استعمال المعادن مثل: التيتانيوم والكوبالت ـ كروم، والحديد الغير قابل للصدأ، وكذلك الذهب والبلاتين والبرونز والفضة. وتسمى هذه الطريقة بـ(Direct Metal Laser Sintering) وتستخدم شعاع ليزر بقوة 200 واط وبدقة تصل إلى 20 ميكرومتراً.