التصنيع بالإضافة
لازر بيد فوزن أصبح أكثر جاذبية مع هذا الاختراق الأخير
أي تقنية ستحكم 3D الطباعة?
مع زيادة أهمية الطباعة ثلاثية الأبعاد، أو التصنيع الإضافي، كعنصر أساسي في التصنيع المتقدم، من المهم تحسين العملية بشكل أكبر. هذا لأن أجزاء ومركبات الطباعة ثلاثية الأبعاد عادة ما تستخدم في تطبيقات متطلبة للغاية، مثل محركات السيارات، والصواريخ، والمعدات العسكرية، إلخ. لذلك في هذه الظروف، أي فشل في أحد المكونات يمكن أن يؤدي إلى تأثير دومينو كارثي.
هذا شيء سيكون حاسمًا في تمكين الصناعة من الانتقال من التوحيد الحالي لتصبح عملية تصنيع مهيمنة على الطرق التقليدية لصهر المعادن في القوالب والتصنيع.
تستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد واحدة على وجه الخصوص لتصنيع الدقة: لازر بيد فوزن.
قام باحثون في جامعة ويسكونسن-ماديسون ومختبر أرغون الوطني بتحليل العملية باستخدام التصوير بالأشعة السينية المتقدمة ويعتقدون أنهم يمكن أن يقللوا بشكل كبير من العيوب التي تحدث أثناء التصنيع. ونشروا نتائجهم في مجلة أدوات الآلات والمصنع الدولية، تحت عنوان “كشف آليات التخفيف من عيوب المعالجة في لازر بيد فوزن عبر أشعة مصححة باستخدام التصوير بالأشعة السينية عالي السرعة1“.
لازر بيد فوزن
يعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد بيد البودر على أن يتم إيداع طبقة من البودر المحتوي على المادة المستخدمة للتصنيع الإضافي في حاوية. ثم يذيب لازر البودر في المنطقة التي ستشكل العنصر المطبوع ثلاثيًا.
ثم يتم إيداع طبقة جديدة من البودر على الأعلى، ويتم استهداف الأجزاء التي تحتاج إلى الذوبان وإضافتها إلى العنصر مرة أخرى بواسطة اللازر. عند القيام بذلك لمدة كافية، يمكن إنتاج أشكال معقدة جدًا، بالإضافة إلى عناصر كبيرة نسبيًا.
مصدر: ResearchGate
يمكنك رؤية لازر بيد فوزن في العمل في هذا الفيديو، بالإضافة إلى بعض الأمثلة على ما يمكن صنعه باستخدام هذه التقنية.
يمكن استخدام لازر بيد فوزن لإنتاج عناصر في البلاستيك، ولكن أكثر重要ًا، المعادن أيضًا، بما في ذلك التيتانيوم، والفولاذ، وكوبالت-كروم، والألومنيوم، إلخ.
ميزة هذه الطريقة هي أنها تخلق هندسة دقيقة جدًا، مع التسامح +/- 0.2 مم، مشابهة للصب بالحقن المعدني. كما أنها ت浪ب المواد قليلاً، حيث يمكن جمع البودر غير المستخدم مرة أخرى وإعادة استخدامه.
يمكن طباعة الأجزاء الأكبر بسرعة كافية باستخدام لازرات متعددة في نفس الوقت، عادة في تصاميم الطابعات ثلاثية الأبعاد الأكثر تقدمًا.
يجب ملاحظة أن لازر بيد فوزن هو مصطلح شامل يغطي تقنيات فرعية متعددة:
- الذوبان الانتقائي بالليزر (SLM) و التلدين المعدني المباشر بالليزر (DMLS)، وهما عمليات مسجلة العلامة التجارية تستخدم نظام ليزر لذوبان المسحوق المعدني بالكامل.
- الذوبان بالحزمة الإلكترونية (EBM)، مشابهة لSLM ولكن باستخدام حزمة إلكترونية في غرفة محايدة أو فراغ.
- التلدين الانتقائي بالليزر (SLS)، باستخدام مواد بوليمر مسحوقية حيث يلتصق الليزر الجزيئات معًا ولا يذيب المادة بالكامل.
منع فشل الطباعة ثلاثية الأبعاد
في النظرية، التصنيع الإضافي للأجزاء المعدنية يعادل الأجزاء المصبوبة التقليدية. في الممارسة، يمكن أن تحدث مشاكل، مثل المسام، أو “الفراغات”، والسطح الخشن، والرذاذ الكبير.
يمكن أن تؤدي هذه القضايا الهيكلية إلى كسر الأجزاء، وهو شيء غير مقبول في التطبيقات الحرجة.
“بسبب فهمنا للأليات الكامنة، كنا نستطيع تحديد ظروف المعالجة الصحيحة بشكل أسرع لإنتاج أجزاء عالية الجودة باستخدام الحزمة الشكلية.”
حزمة الليزر الشكلية
التغيير الأول الذي قام به الباحثون في تصميم الطباعة ثلاثية الأبعاد هو استبدال حزمة الليزر العادية بحزمة ليزر شكلية، قدمتها شركة ليزر تسمى nLight، مما يخلق ليزرات شبه الموصلات.
تخلق هذه الشكل المختلفة تداولًا أفضل للمعدن المنصهر في بركة الانصهار وامتدادات سطحية أصغر على سطح العنصر الطازج. كما أن الرذاذ أقل حجمًا ويتحرك أقل.
المطابقة بين النموذج والملاحظات
أكد الباحثون هذه الملاحظات باستخدام منشأة الأشعة السينية عالي الطاقة في مختبر أرغون الوطني. استخدمواها لإنشاء لقطات سريعة من عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما سمح للباحثين بالتحقق من是否 كان نموذجهم الرياضي ي模ّل الواقع بشكل صحيح.
طباعة ثلاثية الأبعاد أسرع
كما تمكن الباحثون من جعل الحزمة الشكلية تحفر أعمق في البودر دون خلق المزيد من عدم الاستقرار. هذا أدى إلى طبقات أسمك دون إضعاف المنتج النهائي.
نظرًا لأن الإنتاج في النهاية يتطلب طبقات أقل، فإن هذا يسرع من التصنيع ويزيد من الإنتاجية العامة للآلة.
مثال على بيد فوزن
هذا النوع من العمل بعيد عن مجرد تطبيق أكاديمي. يمكن أن يحسن من آليات بيد فوزن المستخدمة بالفعل في الصناعة. مثال جيد سيكون في الطيران، مع خرطوشة الوقود على محرك GE9X من جنرال إلكتريك، المستخدم في طائرات بوينغ 777.
محرك GE9X هو أكبر محرك توربوفان تم إنتاجه، وخرطوشة الوقود المضافة بمساعدة الحاسوب أكثر متانة بخمس مرات من الإصدارات السابقة.
يجب ملاحظة أن هذه التطورات لا تزال حديثة جدًا، مع موافقة التصميم GE9X من إدارة الطيران الفيدرالية فقط في عام 2020.
حتى عملية بيد فوزن أكثر جودة، وكذلك أسرع، يمكن أن تحسن التصميم بشكل أكبر في نفس الوقت الذي يقلل من تكاليفه.
مستقبل الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
نحو هيمنة التصنيع المتقدم
لقد ناقشنا في السابق كيف تتضمن الطباعة ثلاثية الأبعاد في مستقبل التصنيع.
هذا صحيح في التصنيع المتقدم مثل غرسات الأعضاء الطبية أو الطيران. مع استمرار تحسين جودة الأجزاء المصنعة إضافِيًا، من المحتمل أن تصبح هذه هي الطريقة المهيمنة للتصنيع في هذه الصناعات المتطلبة.
من المحتمل أن يكون هذا صحيحًا أيضًا لل روبوتات، التصنيع في المدار، أو حتى الطباعة ثلاثية الأبعاد الهولوجرافية مباشرة داخل أجسامنا.
نحو تطبيقات أكثر
سيتغير شيء آخر عندما تصبح الطباعة ثلاثية الأبعاد أرخص.
هذا سيكون نتيجة للاستخدام البسيط، حيث يؤدي إنتاج المزيد من طابعات ثلاثية الأبعاد إلى خلق اقتصاديات الحجم وتقليل تكاليف الآلة ومدخلاتها.
عامل آخر سيكون تحسين التكنولوجيا. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين استخدام مدخلات الآلة (تقليل التكاليف التشغيلية) أو إنتاج أجزاء أسرع (تقليل التكاليف الرأسمالية).
يمكن أن يشمل هذا طبقات أسمك مع ليزرات شكلية مثل دراسة هذه. أو ربما استخدام ليزرين في نفس الوقت. وأيضًا الطباعة ثلاثية الأبعاد الإلكترونية لإضافة المواد والاجزاء المطبوعة ثلاثيًا.
الاستثمار في الطباعة ثلاثية الأبعاد
الطباعة ثلاثية الأبعاد قد وصلت الآن إلى النضج التكنولوجي، بالإضافة إلى توحيد السوق. هذا يمنح المستثمرين رؤية أفضل مما كان عليه في الماضي ويؤكد أن هذه التكنولوجيا بعيدة كل البعد عن كونها موضة ولكنها هنا لتبقى.
يمكنك الاستثمار في شركات متعلقة بالطباعة ثلاثية الأبعاد من خلال العديد من الوساطة، ويمكنك العثور على موقعنا التوصيات لأفضل الوساطة في الولايات المتحدة، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من البلدان الأخرى.
إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل فردي، يمكنك أيضًا النظر في الصندوق المتداول في البورصة مثل صندوق ARK Invest للطباعة ثلاثية الأبعاد (PRNT) للاستفادة من نمو قطاع التصنيع الإضافي ككل.
أو استشارة مقالاتنا “أفضل 10 أسهم للتصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد لمتابعتها“، و“أفضل 10 أسهم للتكنولوجيا النانوية“.
شركة الليزر الشكلية
nLight Inc
(LASR )
حتى الآن، كان الفائزون في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في الغالب مصنعو طابعات ثلاثية الأبعاد والمستخدمون النهائيون. صانعو الأجزاء الفردية للطابعات ثلاثية الأبعاد أكثر صعوبة في الاستثمار فيها، حيث يعتمد معظمهم على مكونات موحدة مثل الليزرات الموحدة.
هذا ليس هو الحال مع الابتكار المناقش هنا، مع ليزرات شكلية جديدة ربما وجدت تطبيقًا قاتلًا.
استخدم الباحثون ليزرًا من إنتاج nLight، تحديدًا ليزر الألياف CW AFX1000.
يسمح الطيف المتعدد للإعدادات بعمليات المعالجة لجميع المعادن بدون妥协. في القطع، توفر هذه الليزرات جودة حافة مشابهة لليزر CO2 للمعادن السميكة وفرص السرعة لليزرات الألياف للمعادن الرقيقة – كل ذلك مع موثوقية و低 تكلفة ملكية لليزرات الألياف.
يتمكن هذا الليزر من تعديل شكل الحزمة من أجل القيام بمزيد من الطباعة ثلاثية الأبعاد الدقيقة والهندسة المعقدة.
مصدر: Trokut Solutions
كانت إيرادات الشركة قد نمت بشكل مستمر من 2016-2021، ثم عانت من انخفاض ناجم عن انخفاض المبيعات في الصين. ومن المحتمل أن يكون هذا نتيجة للتوترات التجارية المتزايدة بين الصين والغرب والمنافسة من المنتجين المحليين الصينيين.
مع 95% من العملاء خارج الصين، من غير المحتمل أن يستمر هذا في التأثير على الشركة في المستقبل.
مصدر: nLight
النتائج الم مختلطة تعكس هذا التحول، مع انخفاض مبيعات الصناعة بشكل حاد في 2024، في حين ازدهرت قطاعات التخليق الدقيق والفضاء.
مصدر: Trokut Solutions
أدى الانخفاض الأخير في المبيعات إلى جعل التدفق النقدي من العمليات يعود إلى المنطقة السالبة في 2024. ومع ذلك، إذا استمر نمط النمو في قطاعات الفضاء والتخليق الدقيق / الطباعة ثلاثية الأبعاد، مدفوعًا بنمو هذه القطاعات وامتياز التكنولوجيا الفريد لشركة nLight، فمن المحتمل أن تعود nLight إلى الربحية.
مرجع الدراسة:
1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K., & Chen, L. (2025). كشف آليات التخفيف من عيوب المعالجة في لازر بيد فوزن عبر أشعة مصححة باستخدام التصوير بالأشعة السينية عالي السرعة. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232
