ما هي تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد - كيف تعمل والتطبيقات والعقبات

هذه الطابعات الثورية مرئية بشكل متزايد في حياتنا اليومية:

• البنادق. في عام 2013 ، صمم كودي ويلسون "تشفير أناركي" ، المصمم ، صنع وطبع مسدسًا بلاستيكيًا عبر تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. أطلقت كودي طلقة ووزعت ملفات CAD للبندقية عبر الإنترنت. كان هناك أكثر من 100000 عملية تنزيل قبل أن تغلق الحكومة الأمريكية الموقع. في مايو 2014 ، تم القبض على Yoshitomo Imura في اليابان لحيازته خمسة بنادق ثلاثية الأبعاد مطبوعة.
• مستحضرات التجميل. في معرض TechCrunch Disrupt في مدينة نيويورك في مايو 2014 ، عرضت خريجة ماجستير إدارة الأعمال بجامعة هارفارد ، Grace Choi ، Mink ، طابعة ثلاثية الأبعاد تكلف أقل من 200 دولار تجمع الحبر المعتمد من FDA مع مجموعة متنوعة من الركائز لإنشاء أي نوع من الماكياج ، من مساحيق ، إلى كريم ، وأحمر الشفاه. وفقًا لتشوي ، "تأخذ شركات المكياج الكبيرة الصباغ والركائز وتخلطها معًا ثم ترفع السعر. نحن نفعل نفس الشيء وندعك تحصل على الماكياج في منزلك ".
• أجزاء الجسم. وفقًا لتقرير صدر عام 2013 عن مجلة TIME ، فإن الطابعات ثلاثية الأبعاد تقوم بالفعل بنقش أجزاء الجسم مثل الأذنين والأنف من خلايا الجسم. في حين أن مرحلة مبكرة ، فإن التكنولوجيا واعدة للجراحة التجميلية والتجميلية.
• طعام. طور معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طابعة ثلاثية الأبعاد للأغذية تسمى "Cornucopia" ، ويستخدم معهد الطبخ الفرنسي FabatHome الذي طورته كورنيل لإعداد الطعام. ربما لم تكن أدوات نسخ المواد الغذائية في عصر الفضاء المبينة في "ستار تريك" بعيدة في المستقبل كما نعتقد.
• الطب الشرعي وعلم الآثار. في البرنامج التلفزيوني "CSI: New York" ، تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لتكرار رصاصة داخل الجسم لتجنب الجراحة. يمكن لعلماء الآثار تكرار القطع الأثرية الهشة للدراسة دون الإضرار بالكائنات الأصلية التي لا تقدر بثمن. على سبيل المثال ، تمكن زائرو معرض Discovery Time Square King Tut Exposition من رؤية نسخة طبق الأصل ثلاثية الأبعاد متطابقة تقريبًا للمومياء بواسطة شركة Materialize.

أوضح مايكل أنجلو ذات مرة أن كل كتلة من الأحجار بها تمثال فيها ، ومن مهمة التمثال اكتشافه. بمجرد أن يفهم الفنان الصورة ثلاثية الأبعاد التي يبحث عنها ، فإن مهمته هي إخراج المواد الغريبة بعناية لكشف البنية الخفية. إذا كان مايكل أنجلو قادرًا على استخدام طابعة ثلاثية الأبعاد ، فستكون عمليته الإبداعية معاكسة تمامًا: البدء من دون أي شيء وإنشاء صورته الذهنية تدريجياً عن طريق إضافة مادة إلى أن يكتمل النموذج الذي طلبه.

كيف تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد

مصطلح "الطباعة ثلاثية الأبعاد" هو تسمية خاطئة ، حيث يوجد تشابه ضئيل مع الطباعة ثنائية الأبعاد حيث يتم تطبيق الحبر على الورق. ومع ذلك ، فإن العملية تشبه الطباعة حيث أن النتيجة هي تراكم طبقات مختلفة من المواد الموضوعة بالتسلسل بأشكال مختلفة لإنشاء كائن ثلاثي الأبعاد صلب. سيكون الوصف الأكثر دقة هو "التصنيع الإضافي" ، وهي طريقة مختلفة للتصنيع عن التصنيع التقليدي الذي يعتمد على إزالة المواد الصلبة من كتلة أكبر غير مشوهة.

تبدأ العملية بتصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) أو ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد لترجمة نموذج إلى قياسات رقمية ثلاثية الأبعاد. باستخدام المادة المحددة (سائلة أو مسحوق أو ورق أو مادة ورقة) ، يتم وضع طبقات رقيقة متعددة في مكانها ويتم دمجها عن طريق التسخين أو المعالجة أو التوسيط أو التصفيح أو بلمرة الصورة لإنشاء كائن واحد موحد.

تطورت تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد على مدار القرن الثالث. سرد تقرير Patent Insight Pro لعام 2014 ما يقرب من 2635 براءة اختراع متعلقة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد والتي تم إصدارها منذ أوائل السبعينيات. في حين أن كل براءة قد تكون محددة فيما يتعلق بمطالباتها ومبرراتها لإصدار براءة الاختراع ، يمكن تصنيفها عمومًا بناءً على ما يلي:

• عملية التكنولوجيا المحددة. يوجد حاليًا 33 عملية مختلفة تستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، تتراوح بين نمذجة الترسيب المنصهرة (FDM) - وهي عملية تسخين مواد لدن بالحرارة إلى حالات شبه سائلة ، ثم يتم قذفها طبقة بطبقة على طول مسار يتم التحكم فيه بالكمبيوتر - إلى الطباعة المجسمة ، عملية حيث يقوم ليزر الأشعة فوق البنفسجية بتصلب طبقة من البوليمر الضوئي السائل حيث يتم رفعه أو إنزاله بواسطة منصة مغمورة في خزان من البوليمر السائل مشابه لتطبيق طبقة الطلاء بعد طبقة الطلاء حتى تؤدي الطبقات المتعددة إلى الجزء النهائي.
• المواد المحددة في براءة الاختراع. تغطي براءات الاختراع الصادرة حتى الآن 45 مادة مختلفة بما في ذلك السيراميك والطين والبلاديوم والورق والمطاط والفضة والتيتانيوم والشمع.
• استخدام أو التطبيق. أخيرًا ، كان هناك ما لا يقل عن 22 تطبيقًا تجاريًا للطباعة ثلاثية الأبعاد ، بما في ذلك صناعات البناء والدفاع والغذاء.

حالة صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد

يدعي العديد من مراقبي الصناعة أن عدم الاختراق في الأسواق الجماعية حتى الآن يرجع إلى براءات الاختراع الواسعة من قبل الشركات المختلفة واحتمال دعاوى الملكية الفكرية. ببساطة ، لم تنفق الشركات الموارد لاستغلال التكنولوجيا لأنها خائفة من مقاضاتها.

هذا العائق أمام المنافسة قد أبقى الداخلين الجدد خارج السوق والأسعار مرتفعة ؛ مرتفعة للغاية ، في الواقع ، لدعم تطبيقات المستهلكين في السوق الشامل. نظرًا لأن العديد من براءات الاختراع التي تغطي التكنولوجيا الأساسية قد انتهت صلاحيتها في 2013 وتنتهي صلاحيتها في عامي 2014 و 2015 ، فمن المحتمل أن يحدث انفجار في المنتجات الجديدة وانخفاض في أسعار المعدات على غرار الانخفاضات في الأجهزة الإلكترونية الأخرى مثل أجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة. سيوفر انخفاض الأسعار إمكانية الوصول إلى المستهلكين على نطاق واسع لأول مرة.

وفقًا لـ Pete Basiliere ، كبير محللي Gartner للطباعة ثلاثية الأبعاد ، فإن تطبيقًا مستهلكًا مقنعًا - شيء يمكن إنشاؤه في المنزل فقط بواسطة طابعة ثلاثية الأبعاد - سيظهر بحلول عام 2016 وسيكون له تأثير مماثل على الطابعات ثلاثية الأبعاد مثل جدول البيانات للكمبيوتر الشخصي أو إضافة كاميرا إلى الهاتف المحمول. يشير تقرير صادر عن Gridlogics Technologies إلى أن هذه التكنولوجيا ستصبح عنصرًا كبيرًا في السوق لأنها ستمكن المستهلكين من استبدال أو إنشاء كائنات منزلية شائعة يتم إنتاجها الآن بطرق التصنيع التقليدية وتشمل التكاليف المرتبطة بالتسويق والخدمات اللوجستية وصيانة المخزون. يتنبأ تشارلز دبليو هول ، مبتكر أول طابعة ثلاثية الأبعاد في منتصف الثمانينيات والمؤسس المشارك وكبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة أنظمة ثلاثية الأبعاد ، بأن هذه الصناعة ستصبح 4.5 مليار دولار بنهاية هذا العقد..

تطبيقات 3D الطباعة

لا يزال يتم اكتشاف الاستخدامات المستقبلية للطباعة ثلاثية الأبعاد. فيما يلي بعض التطبيقات الحالية الجارية حالياً والتي من المحتمل أن تكون قيد الاستخدام العام أولاً.

1. الطبية
وفقًا لشبكة CNN ، يتم بالفعل استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد من قبل الباحثين لطباعة شرائح صغيرة من أنسجة الأعضاء (الطباعة الحيوية) ، بالإضافة إلى ملحقات الوجه (الأذنين والأنف). يمكن استخدام الأعضاء المطبوعة مثل الكلى أو الكبد - المرحلة التالية في تطور التكنولوجيا - مبدئيًا في اختبار العقاقير واللقاحات ، وفي النهاية إنتاج الأعضاء التي تشتد الحاجة إليها لعمليات زرع الأعضاء.

يقول باسيليير ، "مرافق الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد ذات القدرة على طباعة الأعضاء والأنسجة البشرية سوف تتقدم بشكل أسرع بكثير من الفهم العام وقبول تداعيات هذه التكنولوجيا." رداً على ذلك ، يزعم مايك ثورتش ، رئيس تحرير 3D Printer World ، أن "العديد من الإنجازات الطبية الكبرى عانت من مقاومة معنوية ، من عمليات زرع الأعضاء إلى الخلايا الجذعية. هل الأثرياء وحدهم قادرين على تحمل تكاليفها؟ هل نلعب الله؟ في النهاية ، يميل إنقاذ الأرواح إلى تجاوز كل الاعتراضات ".

2. الأطراف الصناعية
طور طلاب جامعة واشنطن ذراعًا اصطناعيًا لفتاة تبلغ من العمر 13 عامًا فقدت طرفها في حادث ركوب الزوارق. في حين لم تكن متقدمة مثل الأطراف الصناعية الأخرى ، فإن تكلفة 200 دولار للمواد كانت أقل بكثير من تكلفة الأجهزة المماثلة البالغة 6000 دولار ، وهو عامل يمنع التطبيق على نطاق واسع في العديد من الشركات.

حصلت كيلي ويكر من روكلاند ، إلينوي ، المولودة بدون أصابع على يدها اليسرى ، على مجموعة تشغيل من الأصابع المطبوعة ثلاثية الأبعاد من البلاستيك بتكلفة 5 دولارات ومصممة من قبل فئة الهندسة في المدرسة الثانوية. يعمل أستاذ كندي على عملية طباعة ثلاثية الأبعاد لإرسال أطراف صناعية إلى أوغندا لضحايا الحروب الأهلية المستمرة..

3. الموضة
استخدمت شركة Fashion الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء فساتين وإكسسوارات مذهلة تظهر على مدارج أسبوع الموضة في نيويورك 2013 ، بالإضافة إلى فستان فريد من نوعه "دخان" تم الكشف عنه في معرض فرانكفورت الدولي للسيارات 2013. يُنشئ لباس الدخان حجابًا من الدخان تلقائيًا عندما يقوم شخص ما بخطوات في الفضاء الشخصي لمرتديه.

ارتدت ليدي غاغا أول فستان طيران في العالم ، Volantis ، فستان آخر مطبوع ثلاثي الأبعاد ، في ArtRave 2013. تقدم Continuum N12 أول بيكيني مطبوع جاهز للارتداء في العالم ، وهو N12 ، وقد تم تسميته للمواد التي صنع منها: Nylon 12.

4. النماذج ونماذج الاختبار
تعاونت منظمة أوكسفام إنترناشونال ، وهي اتحاد دولي مكون من 17 منظمة تعمل على إيجاد طرق عملية ومبتكرة للأشخاص لإنقاذ أنفسهم من براثن الفقر ، مع موقع MyMiniFactory.com لتطوير تصميمات مبتكرة لحل مشاكل النظافة المائية في بلدان العالم الثالث. يمكن طباعة التصميمات واختبارها وتعديلها بسرعة قبل نقلها إلى الإنتاج الضخم. في حين أن هذه العملية مازالت مبكرة ، يعتقد الرعاة أن الاختبار السريع للأجهزة الجديدة والتعديلات اللاحقة الممكنة مع الطباعة ثلاثية الأبعاد سوف يثبت نجاحه في مشاريع إنسانية مثل أدوات الصرف الصحي اليدوية لل 2.4 مليون لاجئ سوري يعيشون في ظروف مزدحمة وغير صحية.

قام المخترع الإيطالي Enrico Dini بتطوير طابعة ثلاثية الأبعاد ، تُعرف باسم D-Shape ، والتي تربط جزيئات الرمال معًا لإنشاء الأحجار الرسوبية. يقال إن الطابعة تسمح ببناء مبنى أسرع أربع مرات من الوسائل التقليدية بنصف التكلفة. Urbee ، هي سيارة هجينة تم تصميمها من قِبل Kor Ecologic ، وهي عبارة عن مقعدين يصل طولهما إلى 200 ميل للغالون بتكلفة تقديرية تبلغ حوالي 20000 دولار ، ويتم تصنيعها بالكامل عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد.

5. الاستخدام الشخصي
سيتمكن الأشخاص من طباعة المجوهرات المخصصة ، والسلع المنزلية ، والألعاب ، والأدوات حسب الحجم أو الشكل أو اللون الذي يرغبون فيه ، وكذلك سيتمكنون من طباعة قطع الغيار في المنزل ، بدلاً من طلبها وانتظار تسليمها . وفقًا لشركة الأبحاث التحليلية ، يمكن أن تتطور الطباعة ثلاثية الأبعاد المنزلية إلى صناعة تبلغ قيمتها 70 مليار دولار سنويًا بحلول عام 2030.

قد تحل الطابعات ثلاثية الأبعاد للأغذية أخيرًا مشكلة جعل الأطفال يأكلون خضرواتهم ، حيث سيكون للوالدين القدرة على تشكيلها في جميع أنواع الأشكال. ربما يمكن إقناع طفل رضيع صعب بأكل براعم بروكسل إذا كانت مستعدة على شكل ديناصور.

عقبات أمام الطباعة ثلاثية الأبعاد

في حين أن وعد الطابعات ثلاثية الأبعاد كبير ، إلا أن هناك عقبات مهمة يجب التغلب عليها قبل أن تصل إلى توقعات مؤيدي الصناعة.

1. عدم وجود طابعات استهلاكية بسيطة وغير مكلفة
تتمتع الطابعات ثلاثية الأبعاد التي تبيع بأقل من 1000 دولار بقدرة محدودة ، وقد يكون من الصعب تشغيلها ، وقد لا تكون موثوقة ، وقد تتطلب تجميعًا يدويًا للاستخدام. على الرغم من أنه سيتم التغلب على هذه العيوب في النهاية ، فقد يستغرق الأمر الكثير من التجربة والخطأ والوقت قبل توفر نموذج مستهلك ميسور التكلفة.

تشير مقالة 2013 في استراتيجية + عمل إلى أنه "بغض النظر عن مدى كلفة طابعة ثلاثية الأبعاد ، ستستمر المصانع في تقديم وفورات الحجم في المواد الخام لطباعة قطعة أثرية." تتساءل المقالة أيضًا عما إذا كان المستهلك سيستخدم طابعة ثلاثية الأبعاد في المنزل لصنع شوكة بلاستيكية أو قطعة شطرنج إذا كان بإمكانه شرائها من Walmart المحلي.

2. عدم وجود مواد مناسبة للطباعة
تعتمد الطابعات المتوفرة حاليًا بأسعار المستهلك (2،500 دولارًا أو أقل) على تقنية نمذجة الترسيب المنصهرة والبلاستيك PLA و ABS. هذه المواد ليست قوية ومحدودة في قابليتها للاستخدام. يعتقد الخبراء أن الجيل القادم سيحتاج إلى استخدام مركبات الكربون والمعادن إذا كان ذلك مفيدًا للمستهلك العادي.

مقال في مجلة The Telegraph عام 2014 في المملكة المتحدة يسخر من دعاة التكنولوجيا الجديدة الذين يعلنون عن مثل هذه العقود الآجلة الساطعة ، مشيرين إلى أن الطابعات ثلاثية الأبعاد المنزلية الناجحة "تخلق نماذج تبدو وكأنها تركت على الرادياتير لبضع ساعات." يتابع الكاتب الإشارة إلى أنه على الرغم من أنه من الجيد جدًا تحميل أجزاء الأسلحة على الإنترنت ، ولكن بدون الوسائل اللازمة لتصنيع المعادن (لا تملك الطابعات ثلاثية الأبعاد للمستهلك القدرة بعد) ، "فمن المرجح أن تنزع ذراعك عن أطلق رصاصة. "

3. الحاجة إلى معرفة تصميم CAD
على الرغم من أن الملفات القابلة للتحميل لكائنات مختلفة متاحة من مواقع مثل Thingiverse و Shapeways ، إلا أنها تقنية بشكل عام وقد لا تكون متوافقة مع كل طابعة ثلاثية الأبعاد. بسبب الضجيج التسويقي المحيط بالطابعات ، فقد يتم تصويرها على أنها أسهل في التشغيل من تجربة المستخدمين الفعليين.

يلاحظ توم ميكس ، أحد المشاركين في مدونة مستخدمي الطابعات ثلاثية الأبعاد ، التوازي بين الطابعات ثلاثية الأبعاد ونظام صانعة القهوة Keurig وأهمية تصميم المستهلك وسهولة الاستخدام ، مشيرًا إلى أن Keurig استغرق 16 عامًا للحصول على قبول السوق الذي يتمتع به اليوم. ويجب إدراك أن هناك الكثير من الذين يشربون القهوة أكثر من المستخدمين المحتملين للطابعة ثلاثية الأبعاد. يعتقد خبراء التسويق أن الطابعات يجب أن تكون بسيطة في العمل مثل طابعات الليزر أو مصفوفة النقاط التقليدية إذا أرادوا الحصول على قبول واسع.

4. بطيئة ، فوضوي ، وخطير محتمل
على الرغم من أنها مثالية للكائنات الفريدة أو المعقدة والمكلفة ، إلا أن الطابعات بطيئة للغاية في التصنيع الشامل. المواد المستخدمة وانبعاثاتها أثناء الاستخدام ، خاصة المساحيق ، يمكن أن تكون فوضوية ويحتمل أن تكون سامة. أخيرًا ، تعمل الطابعات ثلاثية الأبعاد الحالية التي تستخدم بلاستيك PLA في درجات حرارة عالية جدًا (من 220 إلى 230 درجة). على الرغم من أن هذه المشكلات لا يمكن التغلب عليها ، إلا أنها ستستغرق وقتًا واستثمارًا للتغلب عليها.

كلمة أخيرة

ما إذا كانت الطابعات ثلاثية الأبعاد سيكون لها تأثير على التلفزيون أو الكمبيوتر أو الهاتف المحمول كما هو متوقع من قبل المدافعين عنها. مع تطور التكنولوجيا ، فإن الاحتمالات والفوائد لا حصر لها. إنها بالتأكيد تقنية تجعل المستهلك الذكي مدركًا وجاهزًا للاستخدام أثناء نضوجه ويصبح منتجًا مستهلكًا.

ماذا تعتقد؟ هل أنت مهتم بامتلاك طابعة ثلاثية الأبعاد?