اطبع المستحيل / لاري جرينماير

هل ستغير الطباعة ثلاثية الأبعاد وجه الإنتاج التقليدي؟

تبدو اليد الاصطناعية الروبوتية التي تم إنشاؤها في المختبر الوطني الأمريكي في أوك ريدج وكأنها قطعة أثرية تم إنشاؤها في العصور الوسطى: يد مغطاة بسلسلة من البريد، وهي أكثر ملاءمة لحمل سيف ثقيل من فنجان قهوة. كل من الهيكل العظمي الداخلي والجلد الرقيق الشبيه بالشبكة مصنوعان من التيتانيوم، بحيث تكون اليد متينة وسهلة الحركة وخفيفة الوزن. تعتمد الآليات الهيدروليكية الصغيرة والقوية التي تحرك الأصابع على شبكة من القنوات المجوفة المدمجة في هيكل اليد الاصطناعية نفسها، دون الحاجة إلى حفر ثقوب أو أنابيب أو وصلات.

ومع ذلك، فإن ما يجعل هذه اليد الروبوتية مميزة ليس ما يمكنها فعله، ولكن كيف تم إنشاؤها وما تمثله. تم تطوير اليد على جهاز كمبيوتر وتم تجميعها من عشرات الأجزاء، والتي تمت طباعتها في عملية تسمى "التصنيع الإضافي"، أو باسمها الأكثر شيوعًا "الطباعة ثلاثية الأبعاد". يقدم اختراع أوك ريدج لمحة عن مستقبل التصنيع، وهو المستقبل الذي سيكون من الممكن فيه إنتاج محتوى مخصص في غضون ساعات قليلة لم يكن ممكنًا من قبل.

يقول كريج بلو، مدير برنامج مواد الطاقة في أوك ريدج: "لدينا هيكل معقد للغاية هنا، مع آليات هيدروليكية داخلية قادرة على تحمل حمولة عالية جدًا". "هناك هيكل شبكي هنا يجعل اليد خفيفة الوزن، لأن المادة لا توجد إلا في الأماكن الضرورية. واليوم، لا توجد تكنولوجيا، باستثناء الإنتاج متعدد الطبقات، يمكنها أن تفعل شيئًا كهذا."

ومع نضوج الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى مستوى إنشاء آلات معقدة لا يمكن إنتاجها بأي طريقة أخرى، بدأت شركات عملاقة مثل بوينغ وجنرال إلكتريك في تطبيق هذه التقنية في خطوط إنتاجها المتطورة. بدلاً من النهج القديم، حيث يتم نحت الأجزاء المفيدة من كتل كبيرة من المواد، يقوم التصنيع الطبقي ببناء الأشياء طبقة بعد طبقة. قد يؤثر هذا التغيير في التفكير على جميع جوانب التصنيع، بدءًا من تصميم النموذج الأولي وحتى الإنتاج الضخم للمنتجات.

ومع ذلك، لا تزال الطباعة ثلاثية الأبعاد تواجه تحديات تقنية. بالمقارنة مع الإنتاج التقليدي الذي يعتمد على إزالة المواد الزائدة، يمكن أن يكون بطيئًا، وقد يكون ملاءمة المواد وتشطيبها غير متناسقين. كما تواجه الطابعات ثلاثية الأبعاد صعوبة في إنشاء كائنات من مواد متعددة، كما أنها غير قادرة على دمج الإلكترونيات فيها دون حرق الدوائر الكهربائية.

ويعمل الباحثون جاهدين للتغلب على هذه القيود، وليس هناك شك في أنه بالنسبة للتطبيقات المخصصة صغيرة الحجم، يتمتع التصنيع متعدد الطبقات بميزة كبيرة. عندما تتوسع هذه التكنولوجيا إلى سوق الإنتاج الضخم، فإنها قد تحدث ثورة عامة في الصناعة.

مزايا على مزايا

يبدأ تاريخ الطباعة ثلاثية الأبعاد في أواخر الثمانينيات، عندما اخترعت الشركات الناشئة والمؤسسات الأكاديمية، وخاصة جامعة تكساس في أوستن، آلات يمكنها بناء نماذج ثلاثية الأبعاد للمحتوى الرقمي في دقائق. على مدى عقود من الزمن، اكتسبت هذه الأنظمة، التي تكلفت في البداية حوالي 80 ألف دولار، سمعة طيبة لقدرتها على مساعدة المخترعين والمهندسين على إنتاج نماذج أولية بسرعة وبتكلفة منخفضة نسبيا.

ومنذ ذلك الحين، تقدمت الطباعة ثلاثية الأبعاد عبر مسارين. فمن ناحية، يستطيع الهواة ورجال الأعمال الناشئون إنتاج نماذج بلاستيكية بسهولة باستخدام آلات تكلف 2000 دولار أو أقل. تتيح هذه الأجهزة المنزلية للمستخدمين ابتكار أشياء جديدة، وهي تقنية أجرت مقارنات بين الطباعة ثلاثية الأبعاد وأجهزة الكمبيوتر الشخصية. "تمامًا كما أتاحت الإنترنت والخدمات السحابية والبرمجيات مفتوحة المصدر للفرق الصغيرة البقاء على "الأطباق الساخنة" لمدة ستة أشهر، وبناء التطبيقات ونشرها ومعرفة ما إذا كان أي شخص مهتمًا بذلك، فقد بدأنا نرى ظاهرة مماثلة لبناء المنتجات يقول توماس كاليل، نائب الرئيس للتكنولوجيا والابتكار في مكتب سياسة العلوم والتكنولوجيا في البيت الأبيض.

ومن ناحية أخرى، تعمل الشركات المصنعة الكبرى على تطوير أساليب مستدامة ومتقدمة لإنتاج أجزاء الطائرات والأجهزة الطبية الحيوية، مثل مفاصل الورك القابلة للزرع. وتبلغ تكلفة الآلات المطلوبة لهذا الغرض ما لا يقل عن 30,000 ألف دولار، ويمكن أن تصل إلى أجهزة تعتمد على الليزر تنتج منتجات معدنية عالية الجودة وتبلغ تكلفتها حوالي مليون دولار. يمكن لهذه الطابعات استخدام البوليمرات والمعادن والمواد الأخرى في شكل سائل أو مسحوق. تبدأ الكائنات كملفات رقمية، مما يسمح للمصممين بإجراء تغييرات صغيرة على العمل قبل بدء البناء الفعلي، مع الحد الأدنى من التأثير على التكاليف.

وفقًا لتقرير "الاتجاهات العالمية 2030: عوالم بديلة"، الذي أصدره مجلس الاستخبارات الوطني الأمريكي في نوفمبر 2012، وهو فريق من المحللين يساعد مدير الاستخبارات الوطنية الأمريكية، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تحل محل بعض عمليات الإنتاج الضخم مثل الصب والقوالب والتصنيع الآلي بحلول عام 2030، خاصة في الإنتاج المحدود أو بين الشركات المصنعة للمنتجات الأكثر تخصصًا. وفي طليعة هذا الاتجاه شركات الطيران. قسم المحركات النفاثة التابع لشركة جنرال إلكتريك، GE Aviation، والذي ينتج محركات الطائرات منذ ما يقرب من قرن من الزمان، استحوذ مؤخرًا على اثنين من الموردين المتخصصين في تصنيع أجزاء الطائرات باستخدام عمليات التصنيع ذات الطبقات. وتستخدم بوينغ بالفعل طابعات ثلاثية الأبعاد لأكثر من 20,000 ألف قطعة تستخدم في طائراتها المدنية والعسكرية.

وتكتشف مثل هذه الشركات أن الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تكون أكثر كفاءة من التصنيع التقليدي، سواء من حيث الطاقة المستثمرة أو من حيث المواد. يقول تيري ووهليرز، المستشار الرئيسي ورئيس شركة Wohlers Associates، وهي شركة في فورت كولينز، كولورادو: "عندما تقوم بتصنيع شيء ما، غالبًا ما يتحول 80% إلى 90% من كتلة [المواد] التي كانت لديك في البداية إلى رقائق أو قصاصات على الأرض". .-شركة استشارات تصنيع الطبقة القائمة.

كسر القالب

على الرغم من المزايا، لا يزال العديد من المصنعين يعتبرون الطباعة ثلاثية الأبعاد وسيلة لإنشاء نماذج أولية فقط، وليس منتجات على المستوى الصناعي. هناك ثلاثة أسباب لذلك: السرعات البطيئة، والجودة غير المتسقة، وصعوبة إنشاء كائنات معقدة.

أولًا، تكون عمليات الطبقات بطيئة نسبيًا، وفقًا لمستوى التفاصيل المطلوبة. قضى المهندسون في أوك ريدج، بقيادة المصمم الرئيسي لوني لوف، 24 ساعة في صنع أجزاء اليد الروبوتية التي تزن حوالي 600 جرام، و16 ساعة أخرى في تجميعها (يعملون على تطوير أجهزة يمكنها طباعة اليد الاصطناعية بالكامل مرة واحدة). يقول ريتشارد مارتوكنيتز، مدير مركز الدراسات والأبحاث: «إذا كنت تبني شيئًا بحجم كرة التنس وكنت مهتمًا بالتفاصيل الدقيقة والعالية الوضوح، فيمكنك أن تتخيل أن الأمر سيستغرق من 6 إلى 8 ساعات لبنائه». معالجة مبتكرة للمواد عن طريق التصفيح الرقمي المباشر في جامعة ولاية بنسلفانيا. وبهذا المعدل، فإن إنتاج آلاف الوحدات باستخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد سيستغرق سنوات.

ومع ذلك، هناك أنظمة إنتاج متعددة الطبقات تعمل بشكل أسرع. تم تطوير هذه الأنظمة لصالح البحرية الأمريكية وهي قادرة على وضع طبقات من المواد تتراوح ما بين تسعة إلى ثمانية عشر كيلوجرامًا كل ساعة. لكن السرعة هنا تأتي على حساب القدرة على الانفصال، وهو أمر غير مبهر. ويقول مارتوكنيتز أيضًا إن الأجزاء المطبوعة تحتاج إلى تصنيع إضافي. ولتحسين السرعة، يقوم الباحثون بتطوير أنظمة يمكنها الطباعة بسرعة متغيرة، حيث ستقوم بتصفيح القطع الكبيرة بسرعة، ولكنها ستتباطأ عندما يحتاج الجزء إلى مستوى عالٍ من التفاصيل. ويقول: "تحظى هذه القضية باهتمام كبير الآن لأن الناس ينظرون إلى القيود المفروضة على عملية الطبقات من وجهة نظر كفاءة التصنيع".

هناك خيار آخر لتحسين السرعة وهو توزيع عبء العمل على العديد من مرافق الإنتاج، ولكن هذا النهج يتطلب مستوى أعلى من التنظيم عما هو عليه الحال حاليًا. يجب أن يبدو العنصر الحيوي في محرك GE النفاث متماثلًا وأن يتصرف بنفس الشكل تمامًا، بغض النظر عن كيفية ومكان قيام GE أو أي من مورديها بتصنيعه. إحدى المنظمات التي تعمل على تطوير معايير الطباعة ثلاثية الأبعاد هي ASTM International، المعروفة سابقًا باسم الجمعية الأمريكية للاختبارات والمواد، على الرغم من أن هذا العمل لا يزال في مراحله الأولى.

ويحاول العلماء أيضًا تطوير طابعات ثلاثية الأبعاد ذاتية المراقبة يمكنها طباعة محتوى متسق بسرعة. ويقول بلو إن النظام سيقوم بتحليل لقطات فيديو عالية السرعة للكائن أثناء الطباعة، أو استخدام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء لتحديد العيوب وإصلاحها على الفور دون إيقاف عملية الطباعة. يقول: "يمكنك تنزيل مخططات الأجزاء على الطابعة، وستحصل على نتيجة مثالية في كل مرة".

ويشكل التعقيد المتزايد للمنتجات، التي تجمع بين المزيد والمزيد من المواد المختلفة إلى جانب المكونات الإلكترونية، تحديًا آخر للطابعات ثلاثية الأبعاد. أحد الأساليب هو تطوير طابعات ذات رؤوس طباعة متعددة، كل منها سيغلف مادة مختلفة. ويمكن استخدام أحد هذه الرؤوس لدمج الأسلاك الكهربائية مباشرة داخل الجهاز أثناء طباعته.

يقوم الباحثون في أوك ريدج، في مركز V. M. Keck للابتكار ثلاثي الأبعاد بجامعة تكساس في إل باسو وأماكن أخرى، بتصميم طابعات ثلاثية الأبعاد يمكنها أيضًا طباعة الدوائر الكهربائية. ويتمثل التحدي في تجنب ارتفاع درجة الحرارة وإتلاف المكونات الكهربائية، وإضافة طبقات من البلاستيك أو المعدن حولها. ويبحث الباحثون عن طرق لطباعة مواد عازلة حول المكونات الكهربائية لحمايتها. يقول بلو: "في السنوات العشر المقبلة، سوف ترى مزيجًا من الإلكترونيات المطبوعة مع مواد أخرى".

مزيج من كل هذه التطورات يتنبأ بمستقبل مشرق للذراع الروبوتية أوك ريدج، وغني عن القول من سيستخدمها. ويتصور العلماء عصرًا سيكون فيه الأطباء قادرين على مسح يد الشخص السليمة، وإنشاء صورة طبق الأصل لها إلكترونيًا، وطباعة يد صناعية جديدة مجمعة وجاهزة للاستخدام.

______________________________________________________________________________

عن المؤلف

لاري جرينماير محرر في مجلة ساينتفيك أمريكان

كيف يعمل هذا

الصندوق التأسيسي

استخدم باحثو أوك ريدج آلة ذوبان شعاع الإلكترون (EBM) لبناء أيديهم الاصطناعية الروبوتية. وتؤدي هذه العملية، التي تتم تحت حرارة شديدة، إلى إذابة مساحيق السبائك المعدنية، مثل التيتانيوم أو الكروم والكوبالت، وتكوين أجزاء معدنية متينة وجاهزة للاستخدام منها. لا يلزم أي معالجة حرارية إضافية لتحقيق الاستقرار في هذه المواد.