التصنيع بالإضافة
الطباعة ثلاثية الأبعاد على المستوى النانوي تبدو مستعدة للتسويق التجاري
الطباعة ثلاثية الأبعاد هي الآن كل ما يثير الاهتمام. تُعرف أيضًا بعملية التصنيع الإضافي، ففي الطباعة ثلاثية الأبعاد يتم إنشاء جسم باستخدام نموذج رقمي بدلاً من القالب. في هذه العملية تُضاف عدة طبقات رقيقة من المادة معًا.
طور المخترعون التقنية في عام 1984، لكنها بدأت مؤخرًا فقط في الانتشار مع تطورات التكنولوجيا التي جعلتها عملية تصنيع قابلة للتطبيق.
يستخدم المصنعون في العديد من الصناعات هذه التقنية لإنشاء نماذج أولية بسرعة قبل الإنتاج الضخم للمنتجات. من خلال جعل النمذجة الأولية أسرع وأسهل وأرخص، تعزز الطباعة ثلاثية الأبعاد المزيد من الابتكار والتجريب.
اليوم، نمت صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل هائل مع التقدم المستمر والبحوث التي تساعد التقنية على التحسن أكثر. لقد كان الاهتمام بالطباعة ثلاثية الأبعاد كبيرًا لدرجة أن العلماء الآن يعملون على تقنيات تصنيع على المستويين الميكرو والنانوي.
في حين أن الطباعة ثلاثية الأبعاد بطيئة جدًا للاستخدام في الإنتاج الضخم، قد تحل الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية هذه المشكلة، ومن المحتمل أن تكون جاهزة قريبًا للاستخدام.
انقر هنا لتتعرف على كل ما يتعلق بالاستثمار في أسهم الطباعة ثلاثية الأبعاد.
الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية وإمكاناتها
منذ تقديم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، ارتفعت إنتاجية التصنيع. يعود هذا الارتفاع إلى حد كبير إلى أن الطباعة ثلاثية الأبعاد تتيح حرية تصميم كبيرة من خلال إزالة أي قيود هيكلية أو فضائية للطرق التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، تُعرف بكونها فعّالة في استخدام المواد، مما يوفر إمكانات لتصنيع منخفض أو خالٍ من النفايات. كما تلعب الطباعة ثلاثية الأبعاد دورًا حاسمًا في خفض التكاليف والوقت للوصول إلى السوق للمصنعين الصغار.
مع ذلك، تقتصر معظم تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد على حجم السنتيمتر. خارج هذا النطاق، تحديات ميكانيكية ومادية تقيد استخدامها أساسًا في التطبيقات البحثية. لذا، لتوسيع الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى نطاق التصنيع الضخم وتجاوز مرحلة النمذجة الأولية فقط، يجب على التقنية معالجة بعض التحديات المتعلقة بالحجم والمواد والتكلفة.
لهذا السبب، يستخدم العديد من الباحثين مواد متعددة بأحجام متعددة، وهو تطور يضع الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية في دائرة الاهتمام. تتعامل تقنية النانو مع قياسات أقل من 100 نانومتر، وهو مقياس صغير جدًا لا يمكن رؤيته بالعين المجردة.
في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية، الهدف هو طباعة أجسام مقاسة بالنانو متر. تُعد هذه التقنية قفزة واعدة في التصنيع الإضافي، حيث تمكّن من تجميع الأجسام ذرةً بعد ذرة.
تمتد إمكانات التقنية النانوية إلى تحسين الكفاءة والإنتاجية في صناعات متعددة، مثل البطاريات، والروبوتات النانوية، والميكروإلكترونيات، والأجهزة الطبية، وأشباه الموصلات، وتقنيات المستشعرات. ستستفيد هذه القطاعات بشكل كبير من دقة الصنع النانوي دون التضحية بالدقة.
مع ذلك، لا تزال عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد، بما فيها على المستوى النانوي، بطيئة. كما تواجه قيودًا في أنواع المواد التي يمكن استخدامها، خاصة في الطباعة النانوية.
في عام 2022، طور الباحثون طريقة جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية باستخدام مادة تتفوق في مقاومة القوى، وتوفر حماية، ويمكنها امتصاص ضعف الطاقة التي يمكن للمواد الأخرى امتصاصها عند نفس الكثافة. يفتح هذا التقدم العديد من التطبيقات في مجالات مثل الطائرات بدون طيار، والأقمار الصناعية، والميكروإلكترونيات.
تحدٍ رئيسي آخر في تبني تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد هو التكلفة. المواد المستخدمة مكلفة، وكذلك آلات الطباعة ثلاثية الأبعاد نفسها، التي تعتمد على القدرة على إنتاج منتجات بمواصفات محددة، باهظة الثمن.
بالإضافة إلى ذلك، تزيد نفقات البرمجيات، وصيانة التكنولوجيا، وتكامل الأنظمة من التكلفة الإجمالية لهذه التقنية. بسبب هذه التكلفة العالية، تظل الطباعة ثلاثية الأبعاد أكثر جدوى للإنتاج الصغير النطاق والمتخصص للغاية.
على سبيل المثال، قبل بضع سنوات، أظهر فريق من الباحثين تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد تنتج أجسامًا نانوية معقدة بسرعة مع ميزات ناعمة.
مع ذلك، الحقيقة تبقى أن الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية، على الرغم من إمكاناتها في تطوير العديد من الأجهزة، مكلفة للغاية. قد يتغير ذلك الآن حيث وجدت أبحاث جديدة نهجًا يقلل التكاليف والحواجز بشكل كبير، مما يجعل العملية قابلة للتسويق التجاري.
طريقة أسرع وأرخص لطباعة هياكل معدنية دقيقة باستخدام الضوء
الأبحاث الأخيرة طورت طريقة جديدة لطباعة هياكل معدنية بحجم نانوي تعتمد على الضوء منخفض الشدة. هذه المقاربة القائمة على الضوء سريعة للغاية، تصل إلى 480 مرة أسرع من الأساليب الحالية مع كونها غير مكلفة.
أُجري هذا البحث الجديد الذي يحمل اسم “الطباعة القابلة للتوسع للهياكل النانوية المعدنية عبر الإسقاط الضوئي الفائق اللمعان (SLP)” مؤخرًا من قبل المؤلفين المشاركين سوراب ك. ساهه، أستاذ مساعد في برنامج الهندسة الميكانيكية بجامعة جورجيا تك، وجونغو تشوي، طالب دكتوراه في مختبر ساهه.
وفقًا لساهه، التكلفة والسرعة عاملان يتم “التقليل من قيمتهما بشكل كبير في المجتمع العلمي” عند العمل على تصنيع وهندسة الهياكل الدقيقة. وعلى الرغم من تجاهلها في العالم العلمي، فإن هذه المقاييس مهمة جدًا في الواقع “عندما يتعلق الأمر بترجمة الاكتشافات من المختبر إلى الصناعة”.
“فقط عندما نمتلك تقنيات تصنيع تأخذ هذه المقاييس في الاعتبار سنتمكن من الاستفادة الكاملة من تقنية النانو لفائدة المجتمع.”
– قال ساهه
تشوي وساهه هما أيضًا مخترعين لتطبيق براءة اختراع SLP التي تُنقل حقوق الملكية الفكرية فيها إلى مؤسسة أبحاث جورجيا تك.
نُشر في مجلة Advanced Materials، وهي مجلة علمية محكمة أسبوعيًا، وقد كشف البحث الجديد أن هؤلاء الباحثين طوروا طريقة قائمة على الضوء لطباعة هياكل معدنية نانوية، وهي أسرع وأرخص وقابلة للتوسع.
وبالتالي، تمتلك هذه التقنية إمكانات تحويل مجال التصنيع الإضافي، الذي يُعد مكلفًا وبطيئًا للغاية. هذا الاختراق أقل تكلفة بـ 35 مرة مقارنة بالتقنيات المتاحة حاليًا في السوق.
في الواقع، هناك العديد من التقدمات التقنية في عدة مجالات تعتمد على القدرة على الطباعة على هياكل معدنية بحجم نانوي، وهي تقنية تُعرف باسم النمطية النانوية. تشمل هذه المجالات المستشعرات، والأجهزة الإلكترونية، والفوتونيات، وتحويل الطاقة الشمسية، والطب الحيوي والتشخيص، وأنظمة أخرى.
عند الحديث عن الطباعة النانوية، يُعتقد أن العملية تحتاج إلى مصدر ضوء عالي الشدة. إحدى الأدوات هي ليزر الفمتوثانية، الذي يوفر نبضات ليزرية فائقة القصر إلى نقطة تركيز.
على الرغم من فائدتها الكبيرة، إلا أن هذه الأداة مكلفة جدًا. حيث قد تصل تكلفتها إلى نصف مليون دولار، مما يجعلها غير قابلة للتطبيق في معظم مختبرات البحث وبالطبع في الشركات الصغيرة.
كما أشار ساهه، فإن هذه التكلفة هي ما يجعل من الصعب أن ترى هذه الاختراقات تطبيقًا في العالم الحقيقي، فتظل مجرد مشاريع مختبرية. قال:
“كمجتمع علمي، لا نمتلك القدرة على إنتاج ما يكفي من هذه المواد النانوية بسرعة وبشكل ميسور، وهذا هو السبب في أن التقنيات الواعدة غالبًا ما تبقى محصورة في المختبر ولا تُترجم إلى تطبيقات واقعية.”
إذن، السؤال الواضح التالي هو: هل هناك فعلاً حاجة لأداة ذات شدة عالية كهذه؟ الجواب كان سلبيًا، كما قال ساهه:
“كانت فرضيتنا هي أننا لا نحتاج إلى مصدر الضوء هذا للحصول على نوع الطباعة الذي نريده.”
نتيجة لذلك، بدأ الباحثون يبحثون عن ضوء منخفض التكلفة يتمتع بشدة منخفضة لكنه يمكن تركيزه مثل ليزر الفمتوثانية. ووجدوا صمامات الضوء الفائقة اللمعان (SLEDs)، التي تم اختيارها لتوافرها التجاري.
صمام SLED هو مصدر ضوء شبه موصل ينبعث من الحافة يعتمد على اللمعان الفائق، يجمع بين سطوع وقوة عالية لصمامات الليزر مع انخفاض التماسك للديودات الضوئية التقليدية. الضوء الصادر من SLEDs أقل شدة بشكل ملحوظ مقارنة بليزر الفمتوثانية.
الطباعة النانوية بنمط الإسقاط القائم على الضوء منخفض الشدة
من خلال هذا البحث، سعى تشوي وساهه إلى تطوير أول تقنية طباعة بنمط الإسقاط. تم تصميم هذا النظام للعمل كجهاز عرض رقمي حيث يحول الصور من الرقمية إلى البصرية ثم يعرضها على سطح زجاجي.
مع ذلك، الصور التي ينتجها هذا النظام أكثر تركيزًا حادًا. يأتي هذا الحدة نتيجة الاستفادة من الخصائص الفريدة للضوء الفائق اللمعان لتوليد صور بأقل عيوب ممكنة.
تقنية SLP أو الإسقاط الضوئي الفائق اللمعان تطبع بسرعة هياكل نانوية تحت حد الانحراف (أبعاد أقصر من حد انحراف الضوء المستخدم) باستخدام ضوء منخفض الشدة. استفاد الباحثون من خصائص التماسك المكاني والزماني للضوء الفائق اللمعان القائم على الصمام.
الآن، في بحثهم، استخدموا ملحًا معدنيًا مع مواد كيميائية أخرى لتطوير محلول حبر شفاف يمكنه امتصاص الضوء. عندما يضرب الضوء من نظام الإسقاط الحل، يحدث تفاعل كيميائي يحول المحلول إلى معدن. تلتصق جزيئات النانو المعدنية بسطح الزجاج، مما يخلق الهياكل النانوية.
كونها تقنية طباعة بنمط الإسقاط يعني أنه يمكن استخدامها لطباعة هياكل كاملة دفعة واحدة. حقيقة أن التقنية لا تتبع طريقة النقطة بنقطة، بل تنفذ العملية بالكامل مرة واحدة يجعلها أسرع من الأساليب التقليدية الأخرى.
أظهر اختبار الطباعة النانوية المعدنية بنمط الإسقاط القائم على الضوء أن التقنية تعمل حتى مع الضوء منخفض الشدة، بشرط أن تكون الصور مركزة بشكل حاد.
وفقًا لتشوي وساهه، يمكن للباحثين الآخرين تكرار عملهم بسرعة باستخدام أجهزة متوفرة تجاريًا. ولن تكون التكلفة مرتفعة أيضًا، حيث أن نوع SLED المستخدم في بحثهم يكلف حوالي 3000 دولار.
بهذه الطريقة، يجعل البحث من الممكن للشركات الصغيرة ومراكز البحث وحتى الأفراد الاستفادة من التقنية وتجربتها للابتكار. وفقًا لتشوي:
“حاليًا، فقط الجامعات الرائدة لديها إمكانية الوصول إلى هذه التقنيات المكلفة، وحتى في تلك الحالة، تكون موجودة في مرافق مشتركة ولا تكون متاحة دائمًا.”
وبالإضافة إلى ذلك، قال تشوي:
“نريد أن نُعمم قدرة الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية، ونأمل أن يفتح بحثنا الباب لمزيد من الوصول إلى هذا النوع من العملية بتكلفة منخفضة.”
يملك هذا الاختراق إمكانات حقيقية لمساعدة التقنيات الجديدة على الخروج أخيرًا من مختبرات البحث إلى العالم للاستخدام.
بالتأكيد، يمتلك البحث إمكانات تطبيق واسعة، حيث قال الباحثون إن تقنيتهم ستكون مفيدة بشكل خاص في مجالات البصريات والبلزمونيات، التي تتطلب مجموعة متنوعة من الهياكل النانوية المعدنية المعقدة.
تشمل المجالات المحتملة الأخرى التي يمكن استخدامها في المستقبل مكونات إلكترونية أصغر وأكثر كفاءة للهواتف الذكية، وأجهزة الكمبيوتر، والأجهزة القابلة للارتداء. علاوة على ذلك، يمكن أن تساعد في المستشعرات المتقدمة، والمحركات، وأنظمة الاتصالات المصغرة، والأجهزة الطبية الحيوية مثل الزرعات وأجهزة التشخيص، والبصريات الصغيرة للكاميرات وأنظمة التصوير، والأجهزة الصغيرة لجمع الطاقة، وتطوير مواد جديدة بخصائص مخصصة.
ستساهم الطباعة ثلاثية الأبعاد النانوية بشكل أكبر في البحث وإيجاد حلول أكثر قابلية للتنفيذ.
الشركات الرائدة في التصنيع الإضافي
الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات التي تقود الطريق في التصنيع الإضافي:
#1. Stratasys
مزود حلول الطباعة ثلاثية الأبعاد المقيم في الولايات المتحدة هو رائد عالمي في صناعة التصنيع الإضافي. تُوفر Stratasys مجموعة من الطابعات ثلاثية الأبعاد والمواد لقطاعات السيارات، والرعاية الصحية، والتعليم، والفضاء، والعديد من الصناعات الأخرى. تمتلك الشركة أيضًا العديد من براءات الاختراع التقنية المستخدمة لإنشاء نماذج، ونماذج أولية، وأدوات تصنيع، وأجزاء إنتاج.
أحدث طابعة ثلاثية الأبعاد للشركة، F3300، تأتي مع تحسينات كبيرة في السرعة والتكلفة. توفر سرعات جرن أعلى، ومعدلات بثق أسرع، ومعايرة آلية لتوفير الوقت وزيادة الإنتاجية. الآلة مخصصة لإنتاج أجزاء الاستخدام النهائي ويمكن أيضًا استخدامها للنمذجة الأولية.
(SSYS )
برأس مال سوقي يبلغ 902.6 مليون دولار، يتم تداول أسهم Stratasys حاليًا عند 13.05 دولار، بانخفاض 8.61٪ منذ بداية العام (YTD). سجلت الشركة إيرادات للاثني عشر شهرًا الأخيرة (TTM) قدرها 630.52 مليون دولار، بينما كان ربح السهم (TTM) -1.61 ونسبة السعر إلى الربح (TTM) -8.10.
#2. 3D Systems
اسم معروف في صناعة التصنيع الإضافي، تقدم 3D Systems مجموعة واسعة من حلول الطباعة ثلاثية الأبعاد، بدءًا من الأجهزة والبرمجيات إلى المواد، وتخدم صناعات مثل الرعاية الصحية، والفضاء، والدفاع، والسيارات، والسلع الاستهلاكية، والتصنيع العام.
تشمل تقنيات 3D Systems الطباعة المعدنية المباشرة، وتلبيد الليزر الانتقائي، والطباعة متعددة الفوهات، وطباعة اللون النفاث، وتكنولوجيا الاستريوليثوغرافي (SLA)، والطباعة الحيوية القائمة على SLA.
في أواخر العام الماضي، أعلنت الشركة عن زرع جمجمة مخصص للمرضى تم طباعته ثلاثيًا بنجاح في عملية جراحة جمجمة في مستشفى جامعة بازل. من المتوقع أن يصل حجم سوق الزرعات الجمجمة المطبوعة ثلاثيًا إلى 2.1 مليار دولار بحلول نهاية هذا العقد.
(DDD )
برأس مال سوقي يبلغ 677.845 مليون دولار، يتم تداول سهم 3D Systems Corp حاليًا عند 5.08 دولار، بانخفاض 20٪ منذ بداية العام (YTD). سجلت الشركة إيرادات (TTM) قدرها 505.95 مليون دولار، بينما كان ربح السهم (TTM) -0.74 ونسبة السعر إلى الربح (TTM) -6.85.
#3. GE Additive
قسم من عملاق التكنولوجيا جنرال إلكتريك، تمتلك GE Additive مجموعة شاملة من الطابعات والمواد الاستهلاكية وحلول البرمجيات لتمكين الشركات في مختلف قطاعات السوق من الابتكار.
في الشهر الماضي، عرضت الشركة تقنيتها للرشّ المتصل بالربط المعدني في أكبر معرض للتصنيع الإضافي (AM) في أوروبا. من أجل ذلك، تعمل GE Additive مع صناعة جديدة، وهي الطبية، لتوسيع آفاقها إلى ما بعد الفضاء الجوي فقط. باستخدام رذاذ الربط، تهدف الشركة إلى توفير “طريقة تصنيع ثانوية في حال حدوث مشكلة في سلسلة التوريد”.
(GE )
برأس مال سوقي يبلغ 141.4 مليار دولار، يتم تداول أسهم شركة جنرال إلكتريك حاليًا عند 129.93 دولار، بارتفاع 1.8٪ منذ بداية العام (YTD). سجلت الشركة إيرادات (TTM) قدرها 67.95 مليار دولار، بينما كان ربح السهم (TTM) 8 ونسبة السعر إلى الربح (TTM) 16.24. كما تدفع GE عائد توزيعات بنسبة 0.25٪.
الأفكار النهائية
على الرغم من أنها لا تزال في المراحل الأولية من البحث، فإن الطباعة النانوية ثنائية الأبعاد ومشهد التصنيع الإضافي يتقدمان بسرعة. كما رأينا، تُطوّر تقنيات طباعة أسرع وأرخص تجعل طباعة المعادن النانوية قابلة للتوسع وقابلة للتسويق.
مع استمرار الأبحاث في معالجة قضايا مثل التكلفة والقيود المادية، سنشهد ظهور حلول جديدة تُزيل حواجز الدخول وتنتج تصاميم منتجات مخصصة ومستدامة. سيؤدي ذلك إلى الاستخدام الواسع للتقنيات في الطب، والموضة، والسلع الاستهلاكية، والإلكترونيات المتقدمة، وأكثر من ذلك، مما يزيد بشكل كبير من إمكانية استخدام الأجهزة المدعومة بالنانو في العالم الحقيقي ويجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد قابلة للتسويق.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشرة أسهم في التصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد للاستثمار فيها.
