التصنيع بالإضافة
أصبح دمج مسحوق الليزر في السرير أكثر جاذبية بفضل هذا الاختراق الأخير
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
ما التقنية التي ستهيمن على الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
مع تزايد أهمية الطباعة ثلاثية الأبعاد، المعروفة أيضًا بالتصنيع الإضافي، كعنصر أساسي في التصنيع المتقدم، يصبح من الضروري تحسين العملية بشكل أكبر. ذلك لأن أجزاء ومكونات الطباعة ثلاثية الأبعاد تُستخدم عادةً في تطبيقات شديدة المتطلبات، مثل محركات السيارات، الصواريخ، المعدات العسكرية، وغيرها. لذا في هذه الظروف، أي فشل في أحد المكونات يمكن أن يسبب تأثير دومينو كارثي.
هذا شيء سيكون حاسمًا في تمكين الصناعة من الانتقال من التجميع الحالي لتصبح العملية التصنيعية السائدة على الطرق القديمة التي تذيب المعدن في القوالب وتقوم بالتشغيل.
تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد واحدة تُستخدم على وجه الخصوص في التصنيع الدقيق: دمج مسحوق الليزر في السرير.
قام باحثون في جامعة ويسكونسن-ماديسن ومختبر أرجون الوطني مؤخرًا بتحليل العملية باستخدام تصوير أشعة سينية متقدم، ويعتقدون أنهم يستطيعون تقليل العيوب التي تحدث أثناء التصنيع بشكل كبير. نشروا نتائجهم في المجلة الدولية لأدوات وآلات التصنيع تحت عنوان “كشف آليات تخفيف عيوب المعالجة في دمج مسحوق الليزر في السرير عبر الحزم المشكَّلة باستخدام تصوير أشعة سينية عالي السرعة1”.
دمج مسحوق الليزر في السرير
طريقة عمل طباعة السرير المسحوقية هي أن طبقة من المسحوق التي تحتوي على المادة المستخدمة في التصنيع الإضافي تُودَع في حاوية. ثم يقوم الليزر بصهر/دمج المسحوق في المنطقة التي ستشكل العنصر المطبوع ثلاثيًا الأبعاد.
بعد ذلك تُوضع طبقة جديدة من المسحوق فوقها، وتُستهدف الأجزاء التي تحتاج إلى الصهر والإضافة إلى العنصر مرة أخرى بالليزر. مع مرور الوقت الكافي، يمكن إنتاج أشكال معقدة جدًا، بالإضافة إلى عناصر كبيرة نسبيًا.
المصدر: ResearchGate
يمكنك مشاهدة دمج مسحوق الليزر في السرير أثناء العمل في هذا الفيديو، بالإضافة إلى بعض الأمثلة على ما يمكن صنعه باستخدام هذه التقنية.
يمكن استخدام دمج مسحوق الليزر في السرير لإنتاج عناصر من البلاستيك، ولكن الأهم من ذلك، من المعادن أيضًا، بما في ذلك التيتانيوم، الفولاذ، الكوبالت-كروم، الألمنيوم، وغيرها.
ميزة هذه الطريقة هي أنها تُنتج هندسة دقيقة جدًا، مع tolerances +/- 0.2 مم، مشابهة لتقنية حقن المعادن. كما أنها تهدر مواد قليلة جدًا، حيث يمكن جمع المسحوق غير المستخدم وإعادة استخدامه.
يمكن طباعة أجزاء أكبر بسرعة كافية باستخدام عدة ليزرات في آن واحد، عادةً في تصاميم طابعات ثلاثية الأبعاد المتقدمة.
يجب الإشارة إلى أن دمج مسحوق الليزر في السرير هو مصطلح شامل يغطي عدة تقنيات فرعية:
- Selective Laser Melting (SLM) و Direct Metal Laser Sintering (DMLS)، وهما عمليتان محميتان بالعلامة التجارية تستخدمان نظام ليزر لصهر مسحوق المعدن بالكامل.
- Electron Beam Melting (EBM)، مشابهة لـ SLM ولكن باستخدام شعاع إلكتروني في جو خامل أو حجرة فراغ.
- Selective Laser Sintering (SLS)، تستخدم مواد بوليمرية مسحوقية حيث يقوم الليزر بدمج الجسيمات معًا دون صهر المادة بالكامل.
منع فشل الطباعة ثلاثية الأبعاد
نظريًا، يُعادل التصنيع الإضافي للأجزاء المعدنية الأجزاء المصبوبة التقليدية. عمليًا، قد تحدث مشكلات مثل المسام أو “الفراغات”، الأسطح الخشنة، ورذاذ كبير.
هذه المشكلات الهيكلية يمكن أن تؤدي إلى تكسر الأجزاء، وهو أمر غير مقبول في التطبيقات الحرجة.
“نظرًا لأننا فهمنا الآليات الأساسية، استطعنا تحديد ظروف المعالجة المناسبة بسرعة أكبر لإنتاج أجزاء عالية الجودة باستخدام الشعاع الحلقي.”
لياني تشين – أستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية بجامعة ويسكونسن-ماديسن
شعاع ليزر حلقي الشكل
التغيير الأول الذي أجره الباحثون على تصميم الطباعة ثلاثية الأبعاد كان استبدال شعاع الليزر التقليدي بشعاع ليزر حلقي الشكل، قدمته شركة ليزر تُدعى nLight، مُنتجةً ليزرات شبه موصلة.
هذا الشكل المختلف يخلق دورانًا أفضل للمعدن المذاب في حمام الصهر بشكل عام وموجات أصغر على سطح العنصر المُنشأ حديثًا. كما أن الرذاذ يكون أصغر حجمًا ويسافر مسافة أقصر.
مطابقة النموذج والملاحظات
أكد الباحثون هذه الملاحظات باستخدام مرفق أشعة سينية عالي الطاقة في مختبر أرجون الوطني. استخدموه لإنشاء لقطات سريعة للعملية، مما أتاح لهم التحقق مما إذا كان نموذجهم الرياضي يُحاكي الواقع بدقة.
الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أسرع
تمكن الباحثون أيضًا من جعل الشعاع الحلقي يخرق المسحوق بعمق أكبر دون خلق مزيد من عدم الاستقرار. أدى ذلك إلى طبقات أكثر سمكًا دون إضعاف المنتج النهائي.
نظرًا لأن الإنتاج يتطلب في النهاية طبقات أقل، فإن ذلك يسرّع التصنيع ويزيد من إنتاجية الآلة بشكل عام.
مثال على دمج السرير المسحوقي
هذا النوع من العمل بعيد كل البعد عن كونه مجرد عرض أكاديمي. يمكنه تحسين آلات دمج السرير المسحوقي المستخدمة بالفعل في الصناعة. مثال جيد هو في مجال الطيران، مع فوهة الوقود في محرك GE9X التابع لشركة جنرال إلكتريك، المستخدم في طائرات بوينغ 777.
يُعد محرك GE9X أكبر محرك توربوفان مُنتج، والفوهة المُصنّعة بالطباعة الإضافية أكثر متانة بخمس مرات مقارنةً بالإصدارات السابقة.
يجب الإشارة إلى أن هذه التطورات لا تزال حديثة جدًا، حيث تم اعتماد تصميم GE9X من قبل FAA فقط في عام 2020.
حتى عملية دمج السرير المسحوقي ذات الجودة الأعلى، بالإضافة إلى العملية الأسرع، يمكن أن تحسن التصميم أكثر مع تقليل التكاليف في الوقت نفسه.
مستقبل الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
نحو هيمنة التصنيع المتقدم
لقد ناقشنا سابقًا كيف الطباعة ثلاثية الأبعاد تتجمع نحو مستقبل التصنيع.
هذا صحيح في التصنيع المتقدم مثل الزرعات الطبية أو الطيران. مع استمرار تحسين جودة الأجزاء المصنعة إضافيًا، من المرجح أن تصبح الطريقة السائدة للتصنيع في هذه الصناعات المتطلبة.
من المحتمل أن ينطبق ذلك أيضًا على الروبوتات، التصنيع في المدار، أو حتى الطباعة ثلاثية الأبعاد الهولوجرافية داخل أجسامنا مباشرة.
نحو مزيد من التطبيقات
سيتغير شيء آخر عندما تصبح الطباعة ثلاثية الأبعاد أرخص.
سيكون ذلك جزئيًا نتيجة لزيادة الاستخدام، حيث سيؤدي إنتاج المزيد من الطابعات ثلاثية الأبعاد إلى تحقيق اقتصاديات حجم وتخفيض تكاليف الآلة وموادها الأولية.
عامل آخر سيكون تحسين التقنية نفسها. يمكنها تحسين استغلال المواد الأولية (تقليل تكاليف التشغيل) أو إنتاج أجزاء أسرع (تقليل تكاليف النفقات الرأسمالية).
قد يشمل ذلك طبقات أكثر سمكًا باستخدام ليزرات حلقة الشكل كما في هذه الدراسة. أو ربما استخدام ليزرين في آن واحد. وحتى الإلكترونيات المطبوعة ثلاثيًا لإضافتها إلى المواد والأجزاء المطبوعة ثلاثيًا.
الاستثمار في الطباعة ثلاثية الأبعاد
تصل الطباعة ثلاثية الأبعاد الآن إلى نضج تقني، بالإضافة إلى تجميع السوق. يمنح ذلك المستثمرين رؤية أكبر مقارنةً بالماضي ويؤكد أن هذه التقنية ليست مجرد موضة عابرة بل ستستمر.
يمكنك الاستثمار في الشركات المرتبطة بالطباعة ثلاثية الأبعاد عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور على موقعنا على الويب على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.
(GE.TO )إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات طباعة ثلاثية الأبعاد محددة، يمكنك أيضًا النظر في الصناديق المتداولة في البورصة مثل ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) للاستفادة من نمو قطاع التصنيع الإضافي ككل.
أو استشر مقالاتنا “أفضل 10 أسهم للتصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد للمراقبة”، و “أفضل 10 أسهم لتقنية النانو”.
شركة الليزر ذات الشكل الحلقي
LASR مخطط السعر
حتى الآن، كان الفائزون في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في الغالب هم مُصنّعو الطابعات ثلاثية الأبعاد والمستخدمون النهائيون. يصعب الاستثمار في صانعي أجزاء الطابعات الفردية، حيث يعتمد معظمهم على مكونات سلعٍ قياسية مثل الليزرات المعيارية.
هذا ليس هو الحال مع الابتكار الذي نناقشه هنا، حيث تُعد الليزرات الحلقيّة شكلًا جديدًا قد وجد تطبيقًا قاتلًا.
استخدم الباحثون ليزرًا من إنتاج nLight، وتحديدًا ليزر ألياف مستمر (CW) من طراز AFX1000.
“تتيح مجموعة إعدادات الشعاع المتنوعة معالجة جميع المعادن دون أي تنازل. في القطع، توفر هذه الليزرات الأليافية جودة حافة مشابهة للـ CO2 للمعادن السميكة وسرعة فائقة للمعادن الرقيقة — كل ذلك مع موثوقية وتكلفة ملكية منخفضة لليزرات الألياف.”
يمكن لهذا الليزر تعديل شكل الحلقة لإجراء طباعة ثلاثية الأبعاد أكثر أو أقل دقة وتكوينات معقدة.
المصدر: Trokut Solutions
شهدت الشركة إيراداتها تنمو بثبات من 2016 إلى 2021، ثم عانت من تراجع كبير نتيجة انخفاض المبيعات في الصين. من المحتمل أن ذلك كان مرتبطًا بتصاعد التوترات التجارية بين الصين والغرب، ومنافسة المنتجين المحليين الصينيين لليزرات.
مع وجود 95٪ من العملاء حاليًا خارج الصين، من غير المرجح أن يستمر هذا التأثير في المستقبل.
المصدر: nLight
تعكس النتائج المختلطة هذا التحول، حيث انخفضت مبيعات القطاع الصناعي بشكل حاد في 2024، بينما ازدهرت قطاعات التصنيع الدقيق والفضاء.
المصدر: Trokut Solutions
تسبب الانخفاض الأخير في المبيعات في عودة التدفق النقدي من العمليات إلى المنطقة السلبية في 2024. ومع ذلك، إذا استمر اتجاه النمو في قطاعي الفضاء والتصنيع الدقيق/الطباعة ثلاثية الأبعاد، مدعومًا بالنمو العام لهذه القطاعات والميزة التقنية الفريدة لشركة nLight، فمن المتوقع أن تعود الشركة إلى الربحية.
مرجع الدراسة:
1. يوان، ج., قوه، ك., كلارك، س. ج., إسكانو، ل. إ., نباع، أ., كو، م., هوانغ، ج., لي، ك., رومان، أ. ج., أوسوالد، ت. أ., فيزا، ك., & تشن، ل. (2025). كشف آليات تخفيف عيوب المعالجة في دمج مسحوق الليزر في السرير عبر الحزم المشكَّلة باستخدام تصوير أشعة سينية عالي السرعة. المجلة الدولية لأدوات وآلات التصنيع, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232
