كان للاختراعات التقنية تأثير كبير في التاريخ الحديث ، ولفهم تأثيرها على التطور البشري ، ما عليك سوى التفكير في آثارها ، مثل المصباح الكهربائي أو المحرك البخاري أو السيارة أو الطائرة ، إلى جانب العالم. شبكة واسعة.

جعلت هذه التقنيات حياتنا أفضل من نواح كثيرة ، وفتحت طرقًا وإمكانيات جديدة ، ويعتقد أن الطباعة ثلاثية الأبعاد لديها إمكانات هائلة لتصبح واحدة من التقنيات التي لها تأثير كبير على تطور حياة الإنسان.

فكرة الطباعة ثلاثية الأبعاد

ظهر وصف الطباعة ثلاثية الأبعاد لأول مرة في إحدى قصص الخيال العلمي في خمسينيات القرن الماضي ، وأصبح حقيقة واقعة في الثمانينيات ، وتحول إلى تقنية شائعة في القرن الحالي بعد زيادة الدقة وتنوع المواد المستخدمة.

ظلت المبادئ الأساسية كما هي ، حيث إنها عملية تصنيع كائن مادي من نموذج أو تصميم رقمي ، عن طريق إضافة العديد من طبقات المادة المتتالية ودمجها معًا وجعلها صلبة.

وإذا أردنا تبسيط مفهوم الطباعة ثلاثية الأبعاد ، فيمكننا القول إنها عملية تحويل نموذج رقمي أو تصميم إلى منتج حقيقي ملموس.

تشير التوقعات إلى أن هذه التقنية قد تضع حدًا للتصنيع التقليدي كما نعرفه ، وقد تحدث ثورة في العديد من مجالات حياتنا اليومية ، لأنها تختلف اختلافًا جوهريًا عن أي تقنيات تصنيع تقليدية أخرى موجودة.

في حين أن تكلفة امتلاك طابعة ثلاثية الأبعاد في الثمانينيات كانت أكثر من 300 ألف دولار (مليون دولار اليوم) ، أصبحت التكنولوجيا في متناول الشركات الصغيرة وحتى الأفراد ، مما سمح لهم بتجاوز التطبيق العملي للنماذج الأولية.

تطور الطباعة ثلاثية الأبعاد

ظهرت أول براءة اختراع تاريخية تتعلق بفكرة الطباعة ثلاثية الأبعاد في عام 1981 ، بعنوان “Rapid Prototyping Apparatus” ، بينما صاغ تشاك هول مصطلح “الطباعة الحجرية” (SLA) في عام 1984 من خلال التقدم بطلب للحصول على براءة اختراع مُنح له عام 1986.

يصف المصطلح تقنية لإنشاء كائنات ثلاثية الأبعاد باستخدام مادة سائلة تتماسك معًا عند ملامستها لضوء الليزر.

كانت الطباعة الحجرية المجسمة (SLA) هي الجيل الأول من تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والتي تُستخدم على نطاق واسع اليوم ، ولكنها لم تكن التقنية الوحيدة قيد التطوير في ذلك الوقت.

في عام 1987 ، حصل كارل ديكارد على براءة اختراع لعملية “تلبيد الليزر الانتقائي” (SLS) ، وقدم سكوت كرامب في عام 1989 براءة اختراع لعملية “نمذجة الترسيب المنصهر” (FDM). ظهرت تقنيات وعمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد الأخرى أيضًا في السنوات اللاحقة.

تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد

تستفيد العديد من الأسواق الصناعية من الطباعة ثلاثية الأبعاد ، في مجالات منها:

• الطب وطب الاسنان:

في عام 2000 ، نجح العلماء في طباعة كلية بشرية ، بينما في عام 2008 تمت طباعة الأطراف الصناعية دون الحاجة إلى أي تجميع إضافي ، بينما طُبع أول فك صناعي عام 2012.

تُستخدم نفس التقنية في صناعة تيجان الأسنان والجسور ، ويتم حاليًا إنتاج غالبية الأقواس الشفافة باستخدامها ، حيث أنتجت إنفزلاين أكثر من نصف مليون قطعة فريدة يوميًا في عام 2019.

تعتبر هذه التقنية مثالية لإنشاء أو تحسين تصميمات الأجهزة الطبية ، ويمكن استخدامها لإنشاء تقويمات وأطراف اصطناعية مخصصة.

لجأت العديد من الشركات إلى استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج المستلزمات الطبية اللازمة خلال جائحة فيروس كورونا العالمي (COVID-19) ، مثل الدروع والأقنعة وأجهزة التنفس الصناعي.

• بضائع المستهلكين:

تساعد التكنولوجيا في تسريع عملية إطلاق منتجات جديدة من خلال تصميمها وتطويرها واختبارها في إطار زمني قصير. ومن الأمثلة على ذلك شركة PepsiCo ، التي طورت في عام 2015 عدة نماذج أولية لعلامتها التجارية Ruffles ، واختبار الأحجام والنكهات. مع المستهلكين لتحديد النوع المفضل.

تتيح هذه التقنية إنشاء منتجات مصممة خصيصًا لمتطلبات المستهلك ، بما في ذلك الأحذية المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، والتي تكتسب شعبية بسرعة بفضل تصميماتها وميزاتها القابلة للتخصيص.

قدمتها أديداس في عام 2015 أول حذاء لها مطبوع سميت Futurecraft 3D ، واصلت هذا النهج مع Futurecraft 4D.

استخدمت نايكي أيضًا التكنولوجيا في النمذجة والتصنيع أحذية كرة القدم للاعبي كرة القدم الأمريكية.

دخلت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في العديد من المجالات ، مثل صناعة محركات الصواريخ وأجزاء المركبات ، حيث تتيح للمهندسين إنشاء وتصميم وتصنيع أجزاء الصواريخ في إطار زمني أقصر.

وبدأت وكالة ناسا منذ 30 عامًا في استخدام التصنيع الإضافي للنماذج الأولية السريعة للبلاستيك ، قبل بناء أجزاء معدنية باهظة الثمن ، كما تسمح التكنولوجيا. للوكالة لبناء مكونات أكبر في المدار باستخدام المواد الموجودة في تلك المواقع.

تتم دراسة الطباعة ثلاثية الأبعاد كتقنية لبناء موائل خارج كوكب الأرض مشروع “سنتر شوب” (SinterHab) حول قاعدة قمرية مطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الغبار القمري كمادة أساسية.

كان قطاع النقل من أوائل القطاعات التي تبنت تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد ، حيث سعت إلى إنتاج قطع غيار حسب الطلب ، بالإضافة إلى التطور السريع للمنتجات.

تسمح هذه التقنية بإنتاج أجزاء معقدة خفيفة الوزن ومتينة ، ومن الأمثلة على ذلك تقديم بورش في عام 2020 لمفهوم جديد لمقاعد السيارات الرياضية ، والذي يستفيد من الطباعة ثلاثية الأبعاد.

مثال على ابتكار الأدوات هو Ford ، التي فازت بجائزة في عام 2018 لاستخدامها أدوات الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وتستخدم الشركة أيضًا التكنولوجيا لإنتاج مكونات لبعض طرازات سياراتها.

أعلنت بورش في عام 2018 أنها ستستخدم هذه التقنية لإنتاج قطع غيار لسياراتها النادرة والكلاسيكية.

استفادت BMW أيضًا من التكنولوجيا لإنتاج أطقم هيكل سيارة i8 Roadster.

• الفن والتصميم والنحت:

تمنح التكنولوجيا هذا القطاع القدرة على إعادة إنتاج الأعمال السابقة ، وإنشاء نسخ طبق الأصل من المنحوتات القديمة والحديثة للدراسة عن كثب والتفاعل معها شخصيًا.

دخلت المتاحف هذا المجال ، حيث نظم متحف برادو معرض وتشمل لوحات رسمها فنانين مشهورين باستخدام تقنية ثلاثية الأبعاد ، بهدف السماح للمكفوفين بالشعور بهذه الأعمال.

في عام 2010 ، تم استخدام التكنولوجيا على نطاق واسع في مجال التراث الثقافي ، لأغراض الحفظ والترميم والنشر.

تم تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد والبحث فيها داخل الإنشاءات في وقت مبكر من عام 1995 كطريقة أسرع وأقل تكلفة للبناء بمزيد من التعقيد والدقة والتكامل الوظيفي الأكبر مع تقليل النفايات.

تتيح هذه التقنية تصنيع المساكن ومكونات البناء والجسور والبنية التحتية المدنية والشعاب المرجانية الاصطناعية.

حدث ذلك في عام 2015 إزاحة الستار حول فيلا وبرج يدمج مكونات مطبوعة ثلاثية الأبعاد ، ومكشوف إسبانيا في عام 2016 لجسر مشاة مطبوع ثلاثي الأبعاد بطول 12 مترًا وعرض 1.75 مترًا.

• الصناعات الغذائية:

ارتبطت المحاولات الأولى في هذا القطاع مع الشوكولاتة والحلوى والبسكويت والمعكرونة والبيتزا. تعد هذه التقنية طريقة واعدة للحد من هدر الطعام ، وتسمح للطهاة بإعداد أطباق مختلفة من بقايا الطعام ، كما أنها قادرة على طباعة وجبات مغذية بأشكال تجذب الأطفال.

يمزج Upprinting Food مكونات مختلفة من نفايات الطعام ويجمعها لإنتاج مهروس يتم استخدامها بعد ذلك كمواد للطباعة ثلاثية الأبعاد.

و انت تريد وكالة ناسا “ ابتكار طعام يتناسب مع الاحتياجات الغذائية لرائد الفضاء ، باستخدام مدة الصلاحية تصل إلى 30 سنة.

خلقت التكنولوجيا ثورة في تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات ، مما يسمح للطلاب بإنشاء نماذج أولية دون الحاجة إلى أدوات باهظة الثمن.

يمكن للطلاب أيضًا تصميم وإنتاج النماذج ، حيث تسمح التكنولوجيا بتحويل الأفكار والصور إلى عنصر مادي ، بالإضافة إلى المساعدة في استكشاف مبادئ الهندسة والتصميم والتخطيط المعماري.

يعيد الطلاب إنشاء نسخ مكررة من عناصر المتحف ، مثل الحفريات والتحف التاريخية ، للدراسة في الفصل دون الإضرار بالمجموعات الحساسة.

تأثير الطباعة ثلاثية الأبعاد

توفر تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد – سواء على المستوى الصناعي أو المحلي أو الشخصي – مجموعة من الفوائد التي لا تستطيع طرق التصنيع التقليدية تحقيقها ، بما في ذلك:

• إضفاء الطابع الشخصي: تسمح التقنية بالتخصيص الشامل وفقًا للاحتياجات والمتطلبات الفردية ، حيث يمكن تصنيع العديد من المنتجات في نفس الوقت وفقًا لمتطلبات المستخدمين النهائيين ، دون أي تكلفة عملية إضافية.
• تعقيد: تسمح التكنولوجيا بمستويات من التعقيد لا يمكن إنتاجها جسديًا بأي طريقة أخرى ، والمنتجات أخف وزنا وأقوى من سابقاتها.
• أدوات أقل: تلغي التكنولوجيا الحاجة إلى إنتاج أدوات للتصنيع بكميات منخفضة إلى متوسطة ، وبالتالي: تقليل التكاليف ، وتقصير المهل الزمنية ، وتقليل العمالة المصاحبة. كما أنه يتجنب متطلبات التجميع ، مما يلغي العمالة والتكاليف المرتبطة بعمليات التجميع.
• الاستدامة تبرز التقنية كطريقة موفرة للطاقة باستخدام ما يصل إلى 90٪ من المواد القياسية ، وبالتالي: تقليل النفايات ، إلى جانب عمر خدمة طويل لمنتج أخف وزنًا ، وأقوى في التصميم ، ويفرض بصمة كربونية أقل مقارنة للمنتجات المصنعة بشكل تقليدي.

بلغت القيمة السوقية العالمية لمنتجات وخدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد في عام 2020 نحو 12.6 مليار دولار ، ومن المتوقع ذلك ضاعف الحجم السوق ما يقرب من ثلاث مرات بين عامي 2020 و 2026.

أصبحت الطباعة ثلاثية الأبعاد الآن حقيقة سريعة التطور ، حيث يتم استخدامها في مجموعة واسعة من القطاعات ، بما في ذلك صناعة الطيران وصناعة السيارات والقطاع الطبي والصناعة العسكرية وحتى صناعة المواد الغذائية.

تمثل التكاليف المرتفعة للتقنية أكبر مشكلة للمستخدمين العاديين ، حيث تمنع استخدامها مرة أخرى ، بالإضافة إلى الجودة المنخفضة للأجزاء المطبوعة سبب رئيسي آخر لعدم استخدامها على نطاق أوسع في الوقت الحاضر.

لكن الأمور قد تتغير في المستقبل مع استمرار انخفاض تكلفة التكنولوجيا وتصبح أكثر تعقيدًا ، مما قد يجعل المستخدمين يصنعون المنتجات بدلاً من شرائها. قد يؤدي خفض التكلفة وتطوير التكنولوجيا أيضًا إلى إحداث العديد من التغييرات ، حيث إنها قادرة على تسهيل التصنيع الموزع ، مما يؤدي إلى فوائد في سلسلة التوريد والخدمات اللوجستية.

وعلاوة على ذلك، فإن التنمية الاجتماعية والاقتصادية إنه يتقدم من خلال إنشاء اقتصادات إنتاج محلية ، ويصبح الإنتاج محليًا ومخصصًا ، مستجيباً للطلب الفعلي ، وليس الطلب المتوقع.

ومع بدء وصول المزيد من الطابعات ثلاثية الأبعاد إلى المنازل ، قد تتلاشى العلاقة التقليدية بين المنزل ومكان العمل.

في الختام ، تعد الطباعة ثلاثية الأبعاد واحدة من أكثر التقنيات غرابة في عصرنا وهي تستعد لتكون في طليعة الثورة الصناعية الرابعة ، حيث تجعل التكنولوجيا الحياة أبسط أو أفضل.