طباعة ثلاثية الأبعاد

في هذا النوع من الطّباعة تستخدم مادة لزجة/هلامية تتكون من بوليمر حساس للأشعة فوق البنفسجية، وليزر من الأشعّة فوق البنفسجية، حيث يسلط شعاع الليزر على سطح البوليمر حسب نمط معين، والذي هو المقطع العرضي للطبقة المراد طباعتها، وبعد أن يمر شعاع الليزر فوق سطح البوليمر، يتجمد ويصبح صلبا، وهكذا تبنى الطبقات الواحدة فوق الأخرى، ومن أشهر التقنيات التي تستخدم هذه التكنولوجيا ليثوگرافية فراغية Stereolithography (SLA)، والمادة المستخدمة في هذه التقنية هي البوليمر الضوئي.

FDM

في هذه التكنولجيا يتم تزويد الطابعة بمادة الطّباعة على شكل أسلاك أو خيوط، تتصل برأس مدبب دقيق فيه فوهة، يسخن هذا الرأس ليذيب مادة الطّباعة، وعند حركته أفقيا ورأسيا يخرج المادة حسب الشكل المطلوب، وحال خروج المادة من الرأس تبرد في درجة حرارة الغرفة وتتصلب. واحدة من أشهر التقنيات التي بنيت على هذه التجربة هي نمذجة التسريب المنصهر Fused Deposition Modeling (FDM)، التي اخترعها سكوت كرمب في نهاية الثمانينات من القرن الماضي. ومن أكثر المواد المستخدمة في هذه التقنية هي اللدائن الحرارية.

powderbed

مادة الطّباعة في هذه التكنولوجيا تكون على شكل مسحوق، حيث يسلط شعاع من الليزر عالي الطاقة على سطح المسحوق حسب المقطع العرضي من الشكل المراد طباعته، وبعد طباعة الطبقة كاملة على سطح المسحوق، يهبط المصعد الخاص بالطابعة طبقة للأسفل ليسمح بتشكيل طبقة جديدة من المسحوق حسب الطبقة التالية من النموذج. أشهر تقنية تستعمل هذه التكنولوجيا هي تقنية تلبيد الليزر الانتقائي Selective laser sintering (SLS)، وأكثر المواد المستخدمة في هذه التقنية هي: اللدائن الحرارية (البلاستيك الحراري)، الزجاج، الرمل.

هناك الكثير من المواد التي تستخدم في الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، مثل البلاستيك الحراري والبوليمرات والمعادن بالإضافة إلى المواد العضوية، لكن الباحثين ما زالوا في صدد اكتشاف مواد جديدة بمواصفات محددة، وما زال قطاع مواد الطّباعة يشكل تحديا كبيرًا لهؤلاء الباحثين، وتوجهت التحديات في قطاع المواد نحو المناحي التالية: استخدام مواد مختلفة، دمج المواد واستخدام أكثر من مادة في الصنيع، دقة الطّباعة.[6]

أكثر المواد استخداما في الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد هي البلاستيك الحراري، لأنه سهل التليين عند الطّباعة، ويتصلب في درجة حرارة الغرفة العادية. وأيّضا المواد العضوية مثل (PLA, ABS) المكونتين من حمض «البوليلاكتيك» المستخرج من حمض اللاكتيك، ولكن المشكلة الأساسية في هذه المواد هي أنها تتقلص ويتغير شكلها وتتشوه عند تبريدها. ولهذا يبحث العلماء والباحثون عن المواد الأكثر استقرارًا عند تسخينها أو تبريدها، كما أنهم يبحثون في موضوع طباعة المعادن، ويبحثون أكثر في مجال الطّباعة العضوية لما له من أهمية واستخدامات كبيرة خاصة في المجال الطبي.[6]

لكل مادة خصائصها، ودمج أكثر من مادة مع بعضها البعض يعني أساليب وظروف وبيئات مختلفة للطباعة، والأسلوب السائد حاليا لطباعة مجسم يحتوي موادَّ مختلفة، هو العمل فيه على مراحل مختلفة، لكل مرحلة خصائصها وظروفها وأسلوبها المناسب للمادة المراد العمل بها. ولطباعة مجسم يحتوي على عدة مواد، يجب أن تكون لهذه المواد خصائص معينة تتناسب مع ظروف طباعة المادة التي تليها، كأن لا تذوب لو تعرضت لحرارة أعلى أو لا يتغير شكلها. حاليًا استطاع الباحثون والمطورون العمل على أكثر من لون من نفس المادة، أو طباعة المجسم بأكثر من أسلوب، مثل طباعة القطع الإلكترونية الصغيرة، حيث يطبع البلاستيك على طابعة مخصصة لطباعة البلاستك، ومن ثم على طابعة أخرى مخصصة للمعادن تطبع المكونات المعدنية، العمل المستقبلي في هذا الإطار هو لتحديد متى وأيّن تطبع مادة معينة في المجسم على نفس الطابعة دون تحريك القطعة أو نقلها من مكان إلى آخر.[6]

دقة الطّباعة هي حجم كل طبقة في النموذج المراد طباعته، وتحدد دقة الطّباعة بتحديد حجم المادة الخارجة من رأس الطّباعة، وتقاس بالميكروميتر. تتراوح دقة الطباعات في أيّامنا هذه من 100 ميكروميتر إلى 0.1 ميكروميتر في الطابعات المتقدمة، ولكن هذه الدقة لن تكون كافية في المستقبل القريب، تبعا لحجم المجسم المطبوع وخصائصه، فبعض المجسمات الدقيقة مثل أعضاء جسم الإنسان والقطع الإلكترونية بحاجة إلى دقة أعلى لتجسيم التفاصيل الصغيرة فيها. وبناء على هذا ما زال المطورون يعملون على تحسين دقة الطّباعة، وأيضا يجرون البحوث على المواد التي تحافظ على خصائصها وتبقى قوية كفاية عند الطّباعة بتفاصيل أدق وأحجام أصغر، وقد توصلوا إلى دقة 200 نانو متر، وهي أعلى دقة موجودة إلى الآن.[6]

3dprinting

مقارنة بين تكلفة الطباعة ثلاثية الأبعاد والصناعة التقليدية

خفضت الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد مراحل التصنيع، بالإضافة إلى تخفيض الوقت اللازم للإنتاج، فالمنتج الذي كان يحتاج إلى أسبوعين أصبح ينجز خلال 48 ساعة، والتحدي الآن في تخفيض الوقت اللازم للطباعة بحيث يصبح أقل ما يمكن.[4]

أثبتت الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد أنها أقل تكلفة من الصناعة التقليدية، وتقسم التكاليف إلى قسمين، القسم الأول وهو تكلفة الطابعة ثلاثيّة الأبعاد، والثاني هو تكلفة المواد اللازمة للطباعة، وقد تبين أن تكلفة المواد أعلى بكثير من تكلفة شراء الطابعة نفسها، ومعظم الاستثمارات تنفق على تصنيع مواد الطّباعة أو الأبحاث المتعلقة بها، أنظر إلى الجدول التالي الذي يوضح الفروقات في تكلفة الإنتاج التقليدي وتكلفة الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد بالإضافة إلى الزمن اللازم لكلّ منهما.[4]

المطورون مازالوا يعملون لتخفيض تكلفة الطّباعة، وأصبح سعر الطابعات اليوم اقل ارتفاعًا من السابق، حيث وصل سعر الطابعة ثلاثيّة الأبعاد إلى 400$ وهو في متناول اليد، ولكن يجب أن ناخذ بعين الاعتبار أن أسعار الطابعات تختلف حسب المهمة المطلوب إنجازها، فالطابعات التي تستخدم في المجال الطبي أكثر تكلفة وأعلى سعرًا من تلك الطابعات الشخصية.[4]

هذا ويجب لفت النظر إلى أن تكلفة الصناعة التقليدية تزداد كلما ازاد تعقيد المنتج المطلوب، بينما سعر الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد سيبقى ثابتا، لأن الطابعة تستطيع أن تنجز العمل المطلوب مهما كانت درجة تعقيده خلال مرحلة واحدة. الرسم البياني التالي يوضح الفرق بين تكلفة الصناعة التقليدية والطّباعة ثلاثيّة الأبعاد.[4]

نمو سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد

يعد المجال الطبي من أكبر المجالات وأكثرها اهتماما بالطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، حيث أن الصناعة الطبية التقليدية واجهت العديد من التحديات بدءاً بوقت التنصيع وأنتهاءً بالتكلفة العالية خصوصا إذا كانت الكمية المطلوبة من المنتج قليلة أو مخصصة لشخص واحد. فقد زودت الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد العالم بأمل لحل هذه المشاكل، من خلال القدرة على إنتاج أيّ منتج مهما بلغت درجة تعقيده، بالإضافة إلى تكلفة الإنتاج المنخفضة والثابتة نسبيا، وتخفيض الوقت اللازم لتصنيع منتج معين والقدرة على تخصيص المنتجات.[7] استخدامات الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد في المجال الطبي

طباعة مخصصة لكل مريض

حيث تقوم المستشفى بجمع البيانات الخاصة بالمريض، مثل صور كسور العظام، وترسل هذه البيانات عن طريق الإنترنت إلى أحد مصنعي الأدوات الطبية المعتمدين في العالم ، ليقوم بتصميم النموذج بناءً على البيانات المعطاة وطباعة هذا النموذج وإرساله أو بيعه إلى المستشفى مرة أخرى. وليس هذا وحسب، فقد تملك المستشفى الطابعة الخاصة بها في مختبر مجهز ومعقم ، حيث تقوم بطباعة هذه النماذج بنفسها، وهذا قد يساعد في تشكيل نماذج تساعد في تدريب الأطباء للقيام ببعض العمليات الخاصة.[7] أهمية أخرى في هذا المجال، يمكن للمستشفى أن تقوم بجمع المعلومات والبيانات الخاصة بأحد الأعضاء لدى مريض معين وإرسالها لأحد المزودين الأساسين للطباعة ثلاثيّة الأبعاد أمثال «ريبليكا ثري دي ام – Replica 3dm»، التي تشكلهم وتطبعهم وتبيعهم مرة أخرى للمستشفى. وقد يحصل المريض مستقبلا على ملف النموذج الخاص به من المستشفى، بحيث يستطيع طباعته أو استخدامه في المستقبل، مثل ملف خاص بعضو معين لديه كالكلية أو أحد كسور العظام ، كما يمكن للمشفى أن يرفع هذه الملفات إلى سحابة أو موقع مؤمّن ، يجمع العديد من المصنعين والمزودين لخدمة الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، بحيث يمكن طباعة هذه النماذج أو الاستفادة منها من قبل مرضى آخرين في العالم.[7]

الطباعة العضوية

في هذه التقنية حاول العلماء والمطورون طباعة خلايا حيّة، حيث تطبع هذه الخلأيّا لتخرج في وسط هلامي أو وسط سكري طبقة تلو الأخرى حتى يكتمل الشكل النهائي، وقد يحتوي هذا العضو المطبوع على الأوعية الدموية، أول منتج لهذا النوع من الصناعات كان في عام 2009 مبنيا على طريقة «نوفو جن – Novo Gen» للطباعة العضوية ، وفي عام 2013 قام علماء وباحثون صينيون بطباعة أعضاء من جسم الإنسان مثل أصابع ، وآذان وجلد ، وحتى الكلى، وفي نفس العام قام باحثون في بلجيكا بطباعة عظام فك لسيدة كبيرة في العمر، ومن المتوقع خلال العشر أو العشرين سنة القادمة أن يقوم الباحثون بطباعة أعضاء قادرة على العمل وإنجاز الوظيفة المطلوبة منها، تسمى هذه التقنية بالعديد من الأسماء مثل الطّباعة العضوية ، طباعة الأعضاء ، هندسة الأنسجة بمساعدة الحاسوب .

تكنولوجيا الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد المستخدمة في مثل هذه الصناعة هي الطّباعة النقطية، حيث يطبع المجسم في صندوق من المسحوق مصنوعة من الدواء نفسه المراد تصنيعه، وما تمتاز به هذه التكنولوجيا عن غيرها ، أن الاقراص المطبوعة تكون مسامية أكثر، مما يسهل ذوبانها وامتصاصها ويزيد من فعاليتها، وأول دواء صنع بهذه الطريقة هو دواء لداء الصرع أثبت فعاليته أكثر من الدواء المصنع بالطريقة التقليدية ، وأول شركة قامت بمثل هذا النوع من الصناعات هي شركة «ابركيا – Aprecia» للصناعات الدوائية .

1. معايير النوعية : كما ذكرنا سابقا فإن الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد تمكّن كلّا من المستشفيات والأطباء والمرضى من الحصول على نماذجهم المطبوعة حسب رغبتهم، هذه التحديات دفعت المنظمات الطبية لوضع معايير معينة لضمان نوعية الطّباعة مثل معيار «أيّزو 13485»، الذي يجبر النماذج للمرور ضمن مجموعة من الفحوصات لضمان كفاءتها وملاءمتها.[7]
2. المواصفات الطبية والعضوية : حددت المنظمة العامة للأدوية والغذاء النقاط الثلاثة الرئيسية لقبول أيّ منتج وهذه النقاط هي : مطابقة المواصفات الطبية ، التوافق العضوي مع جسم المريض ، بالإضافة إلى التصميم التفاعلي للجهاز الطبي ، وهي تضع هذه النطاقات الثلاثة تحت المراقبة الدائمة.[7]
3. اختيار المرشح الصحيح : الصناعة الطبية حالها كحال غيرها من الصناعات لها محدداتها، والتي تتمثل في ندرة المواد بالإضافة إلى المحددات على حجم الجزء المطبوع ، وبسبب هذه المحددات يجب أن يتم اختيار المرشح لمثل هذه النوع من التقنيات بعناية ودقة.[7]

طباعة القطع البديلة

استخدام الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد في مجال الدفاع يتمثل بطباعة قطع بديلة عن تلك التالفة ، وحيث أن هذه القطع يجب أن تكون على درجة عالية من الصلابة والدقة - لأن أيّ خطأ فيها قد يكلف المئات من الأرواح - كان لا بد من اللجوء إلى الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، ولا تستخدم الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد فقط لطباعة قطع الغيار، وإنما أيّضا لطباعة مستلزمات التدريب المختلفة مثل المجسمات الخاصة بالتدريب العسكري من سواتر وغيرها، بالإضافة إلى صناعة المعدات مثل الطائرات بدون طيار.[4]

خفضت الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد تكلفة الأنتاج من 100 ألف دولار للقطعة الواحدة إلى 40 ألف دولار ، وساهمت في توفير أكثر من 3.8 مليون دولار خلال الفترة ما بين 2004 – 2009.[4]

اول سيارة مطبوعة بتقنية 3D

«يوربي – Urbee» هي أول سيارة مطبوعة بتقنية الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد ، أنتجت في عام 2010 مع هيكل ونوافذ مطبوعة كليا ، ولكن ليس الاجزاء الداخلية ، تلاها بعد ذلك طائرة «ايرباص A350 XWB» التي حوت أكثر من 1000 قطعة من القطع الداخلية للطائرة والمحرك، مصنوعة بواسطة الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد، ولم يتوقف الأمر عند هذا فشركة بي ام دبليو لصناعة السيارات قامت بتصنيع الادوات الخاصة بفنييها بطريقة الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد لتحصل على معدات اخف وزنا وأكثر فعالية، وبهذا زادت إنتاجية موظفيها.[4]

وجه آخر ساهمت به الطّباعة ثلاثيّة الأبعاد في صناعة المركبات ، هو التسويق ، حيث أصبح من الممتع والأكثر جدوى إنتاج سيارت ثلاثيّة الأبعاد لعرضها كوسيلة للدعاية والإعلان ، أكثر من عرض نموذج على الحاسوب فقط باستخدام أحد برامج التصميم ثلاثيّة الأبعاد.[4]