استمع إلى المقال

الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية متقدمة تسمح للمستخدمين بإنشاء أجسام ثلاثية الأبعاد بسرعة ودقة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد، وتستخدم هذه التقنية في مختلف المجالات مثل التصميم الصناعي والهندسة المعمارية والطب والأزياء والفنون.

الطباعة ثلاثية الأبعاد تعتمد على تحويل تصميم ثلاثي الأبعاد إلى ملف يمكن قراءته من قبل طابعة ثلاثية الأبعاد، ثم يتم طباعة الجسم طبقة تلو الأخرى، حتى يتم إنشاء الجسم النهائي بالكامل.

إذا ما هو تاريخ عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد وأهميتها وتطبيقاتها المختلفة، بالإضافة إلى أهم التقنيات المستخدمة فيها، وما تأثيرها في العالم العربي، وأخيرا نلقي نظرة على مستقبل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد وما يمكن أن تحمله من فرص وتحديات جديدة.

قد يهمك: حدود الذكاء الصنعي.. الأشياء التي لا يمكن أن يفعلها حتى الآن

تاريخ هذه تقنية

أصول تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تعود إلى ثمانينيات القرن الماضي، حيث كانت تستخدم في المقام الأول في صناعة النماذج الصغيرة المستخدمة في الهندسة، ولكن في السنوات الأخيرة، تطورت هذه التقنية بشكل كبير، وأصبحت متاحة للجميع، حيث يمكن الآن لأي شخص إنشاء أجسام ثلاثية الأبعاد بسهولة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد، ومن أهم التحولات في تاريخ تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

• عام 1984، أول تقنية طباعة ثلاثة الأبعاد حاصلة على براءة اختراع.

• عام 1987، أول طابعة ثلاثية الأبعاد متاحة تجاريا.

• عام 1999، بدأ البحث في التطبيقات الطبية للتقنية.

• عام 2002، طباعة كلية مصغرة ثلاثية الأبعاد قادرة على تصفية الدم.
• عام 2005، إطلاق مشروع “RepRap” المبادرة مفتوحة المصدر لتصنيع طابعة ثلاثية الأبعاد يمكنها طباعة العديد من المنتجات الأساسية.

• عام 2006، أول طابعة ثلاثية الأبعاد تجارية تعمل بتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر.

• عام 2008، أول ساق وظيفية مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

• عام 2011، إنشاء أول طائرة مطبوعة ثلاثية الأبعاد في العالم.

• عام 2014، إطلاق شركة “أمازون” متجر طباعة ثلاثية الأبعاد خاص بها.

• عام 2015، تأسيس شركة “Desktop Metal” وإطلاقها أول طابعة ثلاثية الأبعاد صديقة للمكاتب.

• عام 2016، تصنيع “OLLIE”، أول حافلة صغيرة ذاتية القيادة مطبوعة ثلاثية الأبعاد.

• عام 2017، أول جسر مطبوع ثلاثي الأبعاد في العالم.

• عام 2018، أول قرنية بشرية مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

• عام 2019، أول قلب بأنسجة بشرية مطبوع ثلاثي الأبعاد في العالم.

• عام 2020، دعم مكافحة جائحة “كوفيد-19” من خلال طباعة أقنعة ومسحات أنف ثلاثية الأبعاد.

أنواع التقنيات المستخدمة

تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تتضمن العديد من الأساليب والتقنيات المختلفة، وتختلف هذه التقنيات في الطريقة التي يتم بها إنشاء النماذج ثلاثية الأبعاد، والمواد التي يتم استخدامها في هذه العملية، ومن بين أنواع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المهمة.

الطباعة المجسمة

الطباعة المجسمة هي أول نوع لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتتفوق الطابعات من هذا النوع في إنتاج أجزاء ذات مستويات عالية من التفاصيل من خلال استخدام لليزر الأشعة فوق البنفسجية، وتستخدم في نطاق واسع في الصناعة الطبية.

التلبيد الانتقائي بالليزر

التلبيد الانتقائي بالليزر تقنية قائمة على ذوبان مساحيق نايلون إلى بلاستيك صلب، وتكون الأجزاء المصنوعة من هذه التقنية متينة ومناسبة للاختبارات الوظيفية، حيث تُستخدم عادة لتصنيع النماذج الأولية للتصاميم.

PolyJet

عملية “PolyJet” تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد قائمة على البلاستيك أيضا، لكنها قادرة على طباعة أجزاء ذات خصائص متعددة مثل الألوان ومواد الطباعة، وعادة تُستخدم عند طباعة أجزاء مرنة.

المعالجة الرقمية للضوء

المعالجة الرقمية للضوء، تقنية شبيهة بالطباعة المجسمة من حيث معالجتها لمواد الطباعة باستخدام الضوء، لكن هنا التقنية تستفيد من شاشة عرض ضوء رقمي أثناء الطباعة، وتتميز بإنتاجيتها العالية ما تجعلها مناسبة لعمليات الإنتاج منخفضة الحجم للأجزاء البلاستيكية.

Multi Jet Fusion

على غرار تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر، تطبع تقنية “Multi Jet Fusion” أيضا الأجزاء من مسحوق النايلون، لكن عوضا عن استخدام الليزر هنا يتم استخدام ما يشبه مصفوفة نافثة للحبر تقوم بصهر المسحوق، وتتميز بوقت طباعة قليل ما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الإنتاج.

نمذجة الترسيب المنصهر

نمذجة الترسيب المنصهر، تقنية تعمل عن طريق قذف خيوط بلاستيكية طبقة تلو الأخرى، وتعتبر طريقة فعالة من حيث التكلفة وسريعة لإنتاج النماذج الفيزيائية، لكنها محدودة من ناحية دقة الطباعة.

تلبيد المعادن بالليزر المباشر

تقنية تلبيد المعادن بالليزر المباشر تفتح إمكانيات جديدة لتصميم أجزاء معدنية، وتتميز بأنها قادرة على إنشاء مكونات معدنية ذات هندسة معقدة، ما يجعلها مناسبة للتطبيقات الطبية التي يجب أن تحاكي تصميم عضو حيوي ما بدقة عالية.

ذوبان شعاع الإلكترون

ذوبان شعاع الإلكترون، تقنية تستخدم حزمة إلكترون يمكن التحكم بها من خلال ملفات كهرومغناطيسية، وذلك لإذابة مسحوق المعدن، كما توفر إمكانية تحديد درجة حرارة تسخين مادة الطباعة المستخدمة.

قد يهمك: ما أهمية التكنولوجيا لذوي الاحتياجات الخاصة؟

السلبيات والإيجابيات

 تقنية الطباعة ثلاثة الأبعاد تضم مجموعة من المزايا مقارنة بأساليب التصنيع التقليدية، ومن أهمها.

نماذج أولية سريعة

تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكنها تصنيع الأجزاء في غضون ساعات ما يسرّع صناعة النماذج الأولية، وما يسمح بالتحقق من كل تعديل في النموذج بمعدل أكثر كفاءة.

أجزاء خفيفة الوزن

مادة الطباعة ثلاثية الأبعاد الرئيسية والمستخدمة في عملية الطباعة هي البلاستيك، وتتميز المواد البلاستيكية بأنها خفيفة الوزن، وهذا أمر هام في صناعات مثل السيارات وتقنيات الفضاء حيث يوفر الوزن الخفيف كفاءة أكبر في استهلاك الوقود.

تقليل النفايات

إنتاج الأجزاء يتطلب فقط المواد اللازمة للجزء نفسه ما يؤدي إلى تقليل هدر المواد بشكل كبير، ولا يمكن حتى مقارنته بطرق التصنيع التقليدية، فضلا عن أن المواد المهدرة عادة يمكن إعادة تدويرها.

صديقة للبيئة

نظرا لأن هذه التقنية تقلل من كمية هدر المواد المستخدمة، فإنها تعتبر صديقة للبيئة بطبيعتها، وذلك بالإضافة إلى عوامل مثل تحسينها لاستهلاك الوقود في السيارات بفضل طباعتها أجزاء خفيفة الوزن.

كما هو الحال مع أي عملية تصنيع تقريبا، فهناك أيضا عيوب في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي يجب مراعاتها قبل استخدامها، ومن أهمها.

مساحة طباعة محدودة

قسم كبيرة من الطابعات ثلاثية الأبعاد تأتي بغرف طباعة صغيرة الحجم ما يقيّد حجم الأجزاء التي يمكن طباعتها، حيث عند طباعة غرض كبير يجب طباعة عدة أجزاء منفصلة ثم ربطها معا بعد الإنتاج.

معالجة بعد الطباعة

أغلب الأجزاء المطبوعة باستخدام التقنية يجب معالجتها بشكل من الأشكال بعد طباعتها، مثل تنظيفها لإزالة مواد الدعم المستخدمة في الطباعة وتنعيم الأسطح للحصول على المنتج النهائي المطلوب.

تخفيض وظائف التصنيع

هناك عيوب أخرى للتقنية مثل الانخفاض المحتمل في العمالة البشرية في مجال التصنيع، حيث يتم تشغيل معظم مصانع الإنتاج على نحو آلي بواسطة الطابعات ثلاثية الأبعاد.

الطباعة ثلاثية الأبعاد في المنطقة العربية

حول انتشار هذه التقنية في المناطق العربية، وفي حديث خاص لمؤسسة “إكسڤار”؛ قال مهند الحميدي، الكاتب المتخصص بالتقنية والعلوم في العالم العربي، إن الطباعة ثلاثية الأبعاد دخلت بقوة إلى المنطقة العربية، ولإمارة دبي – مثلا- تجربة رائدة في هذا المجال، إذ تهدف استراتيجيتها التي أعلنتها عام 2016، إلى طباعة 25 بالمئة من المباني بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بحلول العام 2030.

الحميدي أضاف، شهد العام 2019 تطوير فريق من مختبر “فاب لاب الإمارات” التابع لمؤسسة “حمدان بن راشد آل مكتوم للأداء التعليمي المتميز” طابعة ثلاثية الأبعاد كبيرة الحجم، هي الأولى من نوعها في دولة الإمارات.

عن تجربة السعودية؛ قال الحميدي، “أدخلت المملكة في العام 2019 أكبر طابعة ثلاثية الأبعاد في العالم لبناء المنازل، قادرة على تشييد مبانٍ تبلغ مساحتها 12×27×9 أمتار، فضلا عن هياكل مكونة من ثلاثة طوابق تبلغ مساحتها 300 متر مربع لكل طابق”.

ثم أوضح، “انتهت وزارة الإسكان السعودية في 2017 من أول هيكل مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في العاصمة الرياض”.

الحميدي أضاف أنه هناك تقارير تشير إلى عزم السعودية بناء مئات المنازل يوميا بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، أي حوالي 1.5 مليون منزل خلال العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين.

الاهتمام العالمي

حجم سوق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في جميع أنحاء العالم بلغ حوالي 120 مليار دولار بحلول عام 2020، ومن المتوقع أن يصل إلى حوالي 300 مليار دولار بحلول عام 2025، ويعزى ذلك إلى زيادة الأنشطة البحثية وتطوير المنتجات، والحاجة المتزايدة إلى المزيد من الإبداع في عملية التصميم، فضلا عن سهولة الإنتاج والتصنيع في مختلف القطاعات باستخدام هذه التقنية المتقدمة، التي تسمح بصناعة أي جسم صلب من نموذج رقمي مصمم على أجهزة الحاسوب، وتحقيق نقلة نوعية في عالم الصناعة.

باستخدام الأساليب التقليدية في البناء، قد يستغرق المشروع عدة أشهر للانتهاء، وغالبًا ما تتجاوز مدة المشاريع الكبيرة المتوقعة بنسبة تصل إلى 20 بالمئة، وتضيف ما يصل إلى 80 بالمئة من التكاليف الإضافية على الميزانية الأصلية. ومع ذلك، يمكن لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تقليل الوقت المطلوب للإنجاز بنسبة تصل إلى 70 بالمئة، مما يسمح بإتمام المشروع في ساعات أو أيام قليلة فقط، حسب حجمه، وهذا يمكن المقاولون من العمل في المزيد من المشاريع، مما يزيد من مصادر دخلهم.

التقارير تشير إلى دور تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد في تخفيض تكاليف البناء بنسبة تتراوح بين 50 بالمئة و70 بالمئة، وتخفيض تكلفة العمالة بنسبة تتراوح بين 50 بالمئة و80 بالمئة، بالإضافة إلى تقليل نسبة النفايات الناتجة عن عمليات الإنشاء بنسبة تصل إلى 60 بالمئة. وهذا ينعكس إيجاباً على العائد الاقتصادي للقطاع، وفقا للحميدي.

هناك الكثير من دول حول العالم مثل أميركا الشمالية واليابان وألمانيا والمملكة المتحدة، إلى جانب دول أخرى متقدمة، بدأت في تخصيص ميزانيات ضخمة في تطوير تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجالات متعددة مثل الإنشاءات والطب والصناعة والسيارات والطيران.

في مجال الطب، فقد أشار الحميدي أن العالم العربي شهد تطورات لافتة خلال الأعوام الأخيرة بفضل الاستثمارات الرسمية والمبادرات الفردية التي اتُخذت لتطوير التقنيات الأكثر تشويقًا والأحدث عالميًا في مجال التقنيات الطبية من الجيل الرابع.

الباحثون استخدموا في العالم العربي تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بإتقان في مجال الطب، ويُذكر هنا تجربة (كليات التقنية العليا) الإماراتية التي قامت بتصنيع أداة ثلاثية الأبعاد في عام 2020 تُمكّن استخدام جهاز التنفس الواحد لأكثر من مريض في الوقت ذاته في الحالات الطارئة والأوبئة.

الحميدي نوه في حديثه لـ ” إكسڤار” إلى تجربة المُبتكر التونسي الشاب، محمد الضوافي (30 عاما) المؤسس والرئيس التنفيذي لشركة “كيور الناشئة”، الذي طور يداً إلكترونية حيوية مصنوعة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، تسمح لأصحاب الهمم ومبتوري الأطراف بالتحكم بها عن طريق الإشارات العضلية، لتصبح الأطراف الاصطناعية امتدادا لجسم الإنسان.

يجب أن نذكر أيضا إطلاق شركة “سمارت هاند” السورية الناشئة مشروعا طموحا لتصميم أطراف علوية اصطناعية متحركة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.

الحميدي تابع، “في العام 2018، ابتكرت الباحثة السعودية سديم المري، يداً آلية وصنعتها بالطباعة ثلاثية الأبعاد بهدف ترجمة النصوص العربية إلى لغة الإشارة وتسهيل التفاعل مع أصحاب الهمم من الصم والبكم”.

فضلا عن استخدام أطباء من “مركز الرعاية الصحية” التابع لهيئة الصحة في إمارة دبي تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لترميم فك مريضة شابة تعاني من ورم فيه.

الحميدي قال، للجزائر نصيب في استخدام التقنية أيضا، إذ ابتكر الباحثون الجزائريون، الطبيب علي تِراك والطبيب عبد الرحمن شيخ والمهندس البيوميكانيكي كريم لعسل، في العام 2018، طريقة فريدة لعلاج تلف الجمجمة بزراعة بدلة جمجمة ذات خصوصية عالية مُصنَّعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لأول مرة في الجزائر وعموم القارة الإفريقية.

يجب أيضا التأكيد على أن استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في المجالات الطبية يشهد تطورا ملحوظا حول العالم، إذ أدخله باحثون في معالجة تلف الجمجمة، وترميم الفك، وتصنيع أطراف اصطناعية تمنح مبتوري الأطراف حركة طبيعية وسلسة، بالإضافة لاستخداماتها في مجال طب الأسنان لتمكن المريض من الاستغناء عن الطريقة التقليدية لأخذ المقاسات وهي خطوة كانت غير محببة للمريض، والاستعاضة عنها بماسحة فموية صغيرة لا تسبب أي أذى أو إزعاج، إلى جانب تقليل وقت تصنيع القوالب السّنية من خلال الماسحة الفموية والطابعة ثلاثية الأبعاد، فضلًا عن الدقة الناتجة عن استعمال ماسحة فموية لأخذ القياسات، تقلل من أخطاء القياسات التقليدية أثناء عمل التركيبات، وغير ذلك من الاستخدامات الأخرى المتعلقة بإجراء العمليات الجراحية الحساسة.

مستقبل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

بعد دراسة وتحليل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن القول إن هذه التقنية تُعدّ إحدى التقنيات الحديثة الواعدة التي تعمل على تحويل التصاميم الرقمية إلى واقع ملموس، تمكنت هذه التقنية من إنتاج أشياء معقدة بشكل لا يمكن تحقيقه بالطرق التقليدية، واستُخدمت بشكل واسع في عدد من المجالات مثل الطب، والهندسة، والتصميم، والأبحاث العلمية.

مع ذلك، فإن هذه التقنية تحتاج إلى العديد من التحسينات لتصبح أكثر فاعلية واقتصادية، وقد يواجه المستخدمون بعض التحديات مثل تكاليف الطابعات ثلاثية الأبعاد والمواد الخام، ومن المهم أيضا التأكد من توفر المعايير اللازمة لضمان جودة الطباعة، وتوفير بيئة عمل آمنة ومناسبة لتشغيل هذه الطابعات.

على الرغم من هذه التحديات، فإن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تُعدّ مستقبلية، وسيكون لها تأثير كبير في مجالات عديدة، ومن المتوقع أن تتطور هذه التقنية في المستقبل القريب، وتصبح أكثر انتشارا واستخداما في مختلف المجالات حول العالم.