دليل شامل لمواد الطباعة ثلاثية الأبعاد
تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لقد أحدثت الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة في التصنيع وتصميم المنتجات في السنوات الأخيرة. والمعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي، تقوم الطباعة ثلاثية الأبعاد ببناء الأشياء طبقة تلو الأخرى باستخدام مواد مثل البلاستيك والمعادن والسيراميك والمركبات. نظرًا لقدرات الطباعة ثلاثية الأبعاد، تستمر أجهزة ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد في التقدمتعتمد المزيد من الصناعات على هذه التقنية. ولكن مع توفر العديد من الآلات وخيارات المواد الآن، فقد يصبح الأمر مرهقًا بالنسبة للمبتدئين. يهدف هذا الدليل إلى تقديم نظرة عامة شاملة على تقنيات ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة.
أنواع تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد والمواد المفضلة
توجد عدة طرق لدمج المواد أثناء عملية الطبقات في الطباعة ثلاثية الأبعاد:
- نمذجة الترسيب المندمج (FDM) تقوم الطابعات بدفع خيوط بلاستيكية حرارية ساخنة من خلال فوهة إلى لوحة البناء. يتم استخدام البلاستيك ABS وPLA بشكل شائع.
- الطباعة النمطية المجسمة (SLA) يقوم بتجميد الراتينج السائل وتحويله إلى بلاستيك مقوى باستخدام شعاع ليزر فوق بنفسجي موجه بواسطة مرايا مسح. يتم تصنيع الراتينجات بحيث تكون ذات لزوجة منخفضة وأوقات معالجة سريعة.
- التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) يتم طحن مساحيق البلاستيك أو السيراميك أو المعادن الدقيقة معًا باستخدام ليزر عالي الطاقة. لا توجد حاجة إلى هياكل دعم ويمكن إنتاج ميزات داخلية معقدة.
- دمباشر مإتال لآسر سمتداخل ((دي إم إل إس) هي تقنية مسحوق مماثلة مصممة خصيصًا لمعالجة سبائك المعادن عالية القوة.
يمكن استخدام طرق أخرى مثل نفث المواد ونفث المواد اللاصقة للطباعة بالألوان الكاملة أو استخدام سبائك معدنية غريبة. وتستمر الاحتمالات في التوسع مع تقدم تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد والمواد المستخدمة.
البلاستيك في الطباعة ثلاثية الأبعاد
يواصل مهندسو المواد تعزيز قدرات المواد البلاستيكية الحرارية للطباعة بتقنية FDM. وفيما يلي بعض الأمثلة خيوط متقدمة قادرة على طباعة منتجات نهائية متينة للاستخدام:
- ASA (أكريلونيتريل ستيرين أكريلات)يوفر مقاومة للأشعة فوق البنفسجية بالقرب من ABS بالإضافة إلى قدرته على مقاومة الطقس الخارجي.
- PC (بولي كربونات)تنتج مكونات بلاستيكية فائقة القوة قادرة على استبدال الأجزاء المعدنية المصنعة في بعض الحالات. ومع ذلك، فإن معرفة الطباعة ضرورية لتحقيق التصاق جيد بين الطبقات.
- خيوط TPU (البولي يوريثين الحراري) وخيوط TPE المرنةتمكين المطبوعات الشبيهة بالمطاط مع قابلية انحناء استثنائية لتطبيقات مثل الأجهزة القابلة للارتداء أو القبضات المخصصة.
- PEEK (بولي إيثر إيثر كيتون)تتحمل المواد الكيميائية العدوانية وإجراءات التعقيم، مما يجعلها مناسبة لتصنيع الأجهزة الطبية والأدوات العلمية. ومع ذلك، فإن السعر الباهظ للغاية لخيوط PEEK يحد بشدة من استخدامها خارج الصناعات.
الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن
حتى وقت قريب، كانت المعادن حكرًا على الطابعات الصناعية باهظة الثمن SLS أو DMLS في قطاعي الطيران والطب. تُستخدم عادةً سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم والنيكل والألومنيوم. تعمل الطابعات المعدنية ثلاثية الأبعاد الأصغر حجمًا والمصممة للورش والجامعات واستوديوهات التصميم الآن على توسيع نطاق الوصول بفضل انخفاض تكاليف الأجهزة. تستخدم معظمها ترسب المعادن المقيدة لبثق خيوط مركبة تحتوي على ما يصل إلى 70% من محتوى مسحوق المعدن.
1. الفولاذ المقاوم للصدأ – قوة عالية ومقاومة للتآكل
طباعة الفولاذ المقاوم للصدأ يمنح ثباتًا أبعاديًا استثنائيًا للأجزاء التي يتم استخدامها في الهواء الطلق أو تتعرض للمواد الكيميائية. يسمح التصاق طبقة الترسب المعدني المقيد حتى بطباعة الجسور أو النتوءات بدون دعامات.يمكن تصنيع الأجزاء وتشكيلها وتلميعها بعد التلبيد للحصول على خصائص تشبه الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوع بالطريقة التقليدية.
2. التيتانيوم – خفيف للغاية وقوي
غالبًا ما تعمل الصناعات الجوية والفضائية باستخدام سبائك التيتانيوم بسبب نسبة القوة إلى الوزن التي تفوق الألومنيوم. طباعة ثلاثية الأبعاد لأجزاء التيتانيوم المعقدة إن تصنيع أجزاء من التيتانيوم في قطعة واحدة من شأنه أن يتجنب المفاصل الملحومة التي تضعف الهياكل المصنوعة من التيتانيوم. وتظل الأسعار المرتفعة لمسحوق التيتانيوم تشكل عائقًا خارج الصناعات مثل رياضة السيارات التي تسعى إلى الحصول على مكونات معدنية خفيفة الوزن.
3. الألومنيوم – معدن بديل متاح
يتمتع الألومنيوم باستخدام واسع النطاق بفضل وزنه المنخفض ومقاومته للتآكل. تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن دمج أجزاء الألومنيوم المخصصة التي تم بناؤها كتجميعات في الماضي. تستفيد نماذج الأدوات الأولية ومكونات الروبوتات ونماذج التصميم من الألومنيوم المطبوع بتقنية ثلاثية 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 السيراميك التقني المصنوع من الألومينا والزركونيا وكربيد السيليكون درجات حرارة عالية للغاية وأدوات دقيقة لتصنيعها بكفاءة. كان من المستحيل في السابق إنتاج أجزاء مثل مراوح المضخات الخزفية وأنظمة توجيه الصواريخ خارج المصانع المتخصصة. تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد على إزالة هذه الحواجز باستخدام تقنيات مسحوق الطباعة الذي يقوم بتلبيد المكونات الخزفية المعقدة.
بالإضافة إلى ذلك، تتوسع الاحتمالات إلى ما هو أبعد من مجرد السيراميك. فمع استمرار المزيد من الأبحاث في التحقيق في استخدام مساحيق المعادن والسيراميك مع نفث المواد الرابطة، يمكن حتى طباعة المواد النادرة والثمينة مثل الفضة أو الذهب بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وقد تسهل هذه التقنية تصنيع غرسات طبية مخصصة أو إلكترونيات تدمج آثار موصلة مطبوعة من عجينة النحاس أو الجرافين الفعلية. ونحن نبدأ الآن في استكشاف الإمكانات التي تمتد إلى ما هو أبعد من ذلك. سيراميك مطبوع ثلاثي الأبعادوالزجاج والمواد الغريبة.
المواد المركبة والطباعة ثلاثية الأبعاد
في حين تظل المواد البلاستيكية والمعادن والسيراميك هي 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 بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد
الطباعة باستخدام FDM خيوط ألياف الكربون يملأ الأجزاء ببوليمر خفيف الوزن وصلب. تتطلب الخيوط الصلبة فوهات فولاذية مقواة 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 يجمع نموذج الترسيب المندمج بسهولة بين البلاستيك القياسي ABS وPLA مع مساحيق معدنية أو لب الخشب لتغيير الخصائص الجمالية والحرارية والوظيفية. تشبه المطبوعات التي تحتوي على النحاس والبرونز المعدن الميكانيكي بصريًا مع الاحتفاظ بوزن البلاستيك الأخف. حتى أن الرثاء المملوء بالخشب يلتقط أنماط حبيبات واقعية للنماذج الأولية للأثاث.
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 تتطلب البحث والنظر في هذه العوامل الرئيسية:
- وظيفة القطعة - هل ستتحمل الأحمال أو الظروف البيئية القاسية؟
- الدقة الأبعادية ودقة الطباعة مطلوبة
- الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة، ومقاومة التآكل، أو حدود درجة الحرارة
- تكاليف المواد - يمكن أن تحمل الخيوط الغريبة أسعارًا متميزة
- سهولة ما بعد المعالجة - من السهل إزالة دعامات الطباعة الخاصة ببعض 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 متوسطة | 180-230 درجة مئوية | قليل |
| نظام ABS | قوية ومرنة إلى حد ما ومتينة للغاية | 210-250 درجة مئوية | واسطة |
| بيتج | 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 إلى حد ما ومتينة للغاية | 360-400 درجة مئوية | عالية جداً |
| الراتنج | تختلف القوة والمتانة حسب النوع، غير مرن، معالج بالأشعة فوق البنفسجية | غير متاح | عالي |
يظل اكتساب الخبرة أمرًا بالغ الأهمية قبل محاولة إنشاء نماذج معقدة. كما تمنح الابتكارات المستمرة في المواد الطابعات ثلاثية الأبعاد المزيد من القدرات كل عام. يساعد الرجوع إلى البيانات الكمية مثل بيانات السلامة أو البيانات الفنية المهندسين والمصممين عند اختيار وتأهيل المادة المثالية لكل تطبيق.
معالجة ما بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد للأشياء
نادرًا ما تلبي الطباعة الجديدة مباشرة من لوحة البناء المتطلبات بمجرد إخراجها من العلبة. تعمل عمليات التشطيب المختلفة على تحسين القوة والجماليات والوظائف:
- إزالة الهياكل الداعمة- كسر الدعامات أو إذابتها في الحمامات الكيميائية.
- الصنفرة والبرد- يعمل على تنعيم الخطوات السطحية بين الطبقات المرئية في المطبوعات.
- التجهيز 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 الارتباط والتلبيد لحرق البوليمرات ودمج المساحيق في المعادن الصلبة.
مستقبل مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد
تستمر الطباعة ثلاثية الأبعاد في التوسع من أغراض النماذج الأولية السريعة المتخصصة إلى تصنيع الأجزاء النهائية عبر الصناعات. ومع اقتصاديات الحجم، وانخفاض تكاليف الطابعات، ومجموعة أوسع من المواد، فإن مستقبل الإنتاج الموزع بالكامل وعند الطلب أمر معقول. لكن الاستدامة الحقيقية تعتمد على إعادة تشكيل سلاسل التوريد للحفاظ على الموارد مع تقدم التكنولوجيا.
الاختراقات في البلاستيك الحيوي المتجدد والكيمياء الخضراء يمكن أن تقلل الطباعة ثلاثية الأبعاد من النفايات واستخدام الطاقة أثناء تصنيع المواد للطابعات ثلاثية الأبعاد. كما تحتاج إعادة التدوير إلى مزيد من الاهتمام أثناء صياغة المركبات الجديدة أو البوليمرات التقنية. وبفضل الجهود التعاونية بين الشركات والباحثين والجهات التنظيمية، يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن توفر وصولاً صديقًا للمناخ وعادلاً للسلع المصنعة على مستوى العالم.
الوجبات الجاهزة
مع تقدم الطابعات والمواد لتقديم قدر أعظم من الدقة والقوة والوظائف بتكلفة أقل، تصبح الاحتمالات لا حصر لها. ومع معرفة الأساليب الأساسية والمواد وتقنيات ما بعد المعالجة التي تناولناها هنا، يمكن للمهندسين الاستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد لتخيل تصميمات منتجات وأعمال تجارية جديدة تمامًا. إن الحفاظ على الممارسات المسؤولة والمستدامة مع انتشار الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أكبر سيضمن بناء التكنولوجيا نحو مستقبل عادل ومزدهر في جميع أنحاء العالم.