لا يمكنك الوصول إلى معدات علمية محددة؟ لا تقلق – اطبعها باستخدام التصنيع الإضافي

الحاجة إلى المعدات العلمية تتزايد في جميع أنحاء العالم. وفقًا لتقدير واحد، من المتوقع أن ينمو حجم سوق الأدوات العلمية من أكثر بقليل من 28 مليار دولار أمريكي في 2022 إلى أكثر من 34 مليار دولار أمريكي في 2028، بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 3.2%.

تساعد المعدات العلمية من أنواع مختلفة على تسريع التطور العلمي من خلال تقليل خطر الأخطاء البشرية وأتمتة العمليات المتكررة. كما تُوفر وقتًا للعلماء لتوليد الأفكار حول المفاهيم والحلول.

وفقًا لمايكائيل هاجستروم، الرئيس التنفيذي لشركة Technology Networks، يمكن أن يضيع ما يصل إلى 70% من وقت العامل في المختبر في أداء المهام الإدارية، وأعمال التحضير، والبحث عن البيانات وتنظيفها، أو إعداد التقارير.

نظرًا لأن الأدوات العلمية توفر الكثير من الوقت وتُسهل العملية بفعالية، قد يكون من المحبط عدم الحصول على معدات علمية محددة في الوقت المناسب. لكن لا يوجد تقريبًا أي سبب للشكوى من توفرها في هذه الأيام.

التصنيع الإضافي، المعروف شعبيًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد، جاء لإنقاذ الموقف. كيف يساعد التصنيع الإضافي في الوصول إلى معدات علمية محددة هو ما سنستعرضه بعمق في الفقرات القادمة. ولكن، قبل الغوص أعمق، دعونا نحصل على نظرة سريعة حول ما هو التصنيع الإضافي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد!

ما هو التصنيع الإضافي؟

شرح ذو صلة حول التصنيع الإضافي، نشرته مدرسة إدارة الأعمال MIT Sloan، تعرفه بأنها ‘عملية إنشاء جسم عن طريق بنائه طبقة بطبقة. وهو عكس التصنيع الطردي، حيث يتم إنشاء الجسم عن طريق قطع كتلة صلبة من المادة حتى يكتمل المنتج النهائي.’

بشكل عام، تتبع عملية التصنيع الإضافي تسلسلًا من ثلاث خطوات، كما يلي: 

• أولاً، يتم إنشاء التصميم في المختبر. يمكن القيام بذلك باستخدام التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) وبرامج مماثلة. أو يمكن مسح كائن مباشرةً يرغب المرء في طباعته.
• الخطوة الثانية تتضمن تحويل البرنامج للتصميم، خطوة بخطوة، إلى إطار طبقي، سيتبعه جهاز التصنيع الإضافي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد.
• الخطوة الأخيرة، وهي أيضًا السبب في تسمية العملية بالطباعة ثلاثية الأبعاد، تتضمن إرسال الإطار الطبقي إلى طابعة ثلاثية الأبعاد، التي تبدأ فورًا في إنشاء الجسم. 

التصنيع الإضافي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد متوافق مع مجموعة واسعة من أنواع المواد المختلفة، بما في ذلك البوليمرات، والمعادن، والسيراميك، والرغوات، والجل، والمواد الحيوية، وأكثر من ذلك. 

وفقًا لأرفيند كاليديندي، مرشح دكتوراه في علوم المواد والهندسة في MIT:

“طالما وجدت طريقة لربط جزأين محليًا، يمكنك طباعته ثلاثيًا.”

هذه المرونة والتوافق شبه الشامل يجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي مناسبًا لتصنيع معدات علمية محددة. سنستعرض الآن بعض الأمثلة أدناه: 

مكونات مطياف الكتلة المحمول المطبوعة ثلاثيًا والمزيد

مطياف الكتلة هو جهاز يمكنه تحديد المواد الكيميائية. تُستخدم مطيافات الكتلة في مجالات تطبيقية متنوعة، من مسارح الجرائم إلى المسوحات الجيولوجية؛ فهي تخدم أغراضًا متعددة. 

توصلت مجموعة من الباحثين في MIT إلى مرشح كتلة مطبوع ثلاثيًا يعمل كالمكون الأساسي لمطياف الكتلة. يُعرف باسم رباعي القطب، هذا المرشح المصغر أخف وزنًا وأرخص بكثير من نظيره التقليدي. بينما تكلف مرشحات الكتلة التجارية، المصنوعة من الزجاج-سيراميك المقاوم للحرارة أو الراتنج، أكثر من 100,000 دولار أمريكي، فإن هذه المرشحات المستخرجة من التصنيع الإضافي تكلف بضعة دولارات ويمكن إنتاجها خلال ساعات. 

وفقًا لفيلسكيز-غارسيا، العالِم البحثي الرئيسي في مختبرات تكنولوجيا الأنظمة الدقيقة في MIT، “هناك مرشحات رباعية القطب مصغرة أخرى، لكنها لا تقارن بمرشحات الكتلة ذات المستوى المهني. هناك الكثير من الإمكانيات لهذا الجهاز إذا كان الحجم والتكلفة أصغر دون التأثير سلبًا على الأداء.”

بينما المثال المذكور أعلاه هو أحد أحدث الإنجازات في المجال، فقد سُجلت أمثلة مماثلة في مجال البحث والتطوير العلمي والتقني من قبل. على سبيل المثال، طور باحثو جامعة ماكغيل تقنية تشخيصية من نوع مختبر على رقاقة تستبدل استخدام العديد من الأدوات المخبرية وتعمل كتقنيات مصغرة. يمكن إنتاج الرقاقة في 30 دقيقة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. تشير التقارير إلى أن الحل يمكن أن يمكّن المتخصصين في الرعاية الصحية من إنشاء “حلول مخصصة للاحتياجات المحددة في نقطة الرعاية.” 

استخدم فريق آخر من باحثي MIT الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد لإنشاء أجهزة سائلة ذات تسخين ذاتي تأتي مع عناصر تسخين مدمجة. هذه آلات مصغرة يمكنها معالجة السوائل وتسهيل التفاعلات الكيميائية. بدلاً من عدة آلات كبيرة ومتقدمة تعمل في وقت واحد، يمكن لهذه التقنية اكتشاف الأمراض في عينات صغيرة من الدم أو السوائل. 

الوصول إلى المعدات العلمية من موقع بعيد

لقد ساعدت الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعدات العلمية والمختبرية أيضًا في إزالة القيود التي تفرضها المسافة الفيزيائية/الجغرافية. في السابق، كانت الطابعات ثلاثية الأبعاد تتطلب وجود مشغل مدرب في الموقع. ومع ذلك، مع بداية جائحة كوفيد-19، ظهرت حلول جعلت العمل عن بُعد ممكنًا في مجال التصنيع الإضافي.

على سبيل المثال، قدمت MakerBot CloudPrint حلاً لفرق الهندسة للعمل بفعالية عن بُعد أو من مواقع مختلفة. توفر منصتها السحابية للطباعة ثلاثية الأبعاد سير عمل سلس للفرق التي لها وجود في مواقع متعددة. يمكن للمهندسين العاملين في مواقع متعددة التعاون بفعالية مع هذه الطابعات ثلاثية الأبعاد عن طريق تقطيع وتحضير طبعاتهم مباشرةً من المتصفح. 

يأتي الجهاز مزودًا بقدرات مدمجة للصفوف والمراقبة ويسمح للمستخدمين بإضافة ومراقبة والتحكم في الوصول إلى طابعات MakerBot المتصلة من أي مكان. كما يحتوي على لوحة تحكم لتتبع ومراقبة تقدم الطباعة مركزيًا. تساعد البثوث الحية للكاميرا في الحصول على أحدث تحديثات الحالة لعمليات الطباعة. 

لقد جعلت حلول مثل هذه وغيرها سير العمل سلسًا، سهلًا، وفعّالًا من حيث التكلفة للعديد من مصنعي المعدات العلمية. 

أنواع مصنعي المعدات العلمية الذين يستفيدون من التصنيع الإضافي/الطباعة ثلاثية الأبعاد

مصنّعو معدات أبحاث الفضاء هم أحد القطاعات التي ستستفيد بشكل كبير من التصنيع الإضافي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد. أظهرت الأبحاث العلمية طريقة لبناء معدات مختبرية مطبوعة ثلاثيًا لقياس المواد الضخمة في الظروف القاسية التي تطرحها مشاريع استكشاف الفضاء على الباحثين. 

في عام 2022، ذكرت مجلة Nature دراسة حيث تم تطوير جهاز مطبوع ثلاثيًا لقياس توتر سطح النانوفلويدات. وكانت نتيجة القياس مقاربة للأجهزة التجارية. 

كما بحثت الدراسة إمكانيات استخدام أدوات القياس عبر طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد بالضغط المادي لقياس خصائص ميكانيكية-فيزيائية مختارة للمواد الضخمة في ظروف قصوى. 

نوع آخر من مصنّعي المعدات العلمية الذين يستفيدون من التصنيع الإضافي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد ينتمي إلى مجال الإلكترونيات. تساعد دقة عمليات التصنيع الإضافي القائم على الليزر في إنشاء أنظمة ميكروإلكتروميكانيكية. يمكن تطوير مكونات معقدة مثل مقياس التسارع ومقاييس الجيروسكوب في هذه العملية. 

تصنيع أدوات التعليم هو مجال آخر يمكنه الاستفادة من التصنيع الإضافي بفعالية. هناك طابعات ثلاثية الأبعاد تساعد الطلاب على تجربة أجهزة دقيقة الصنع ومواد من الدرجة الصناعية. 

تشمل بعض الميزات المشتركة لهذه المرافق قدرتها على العمل مع مجموعة متنوعة من المواد المصدرية في منصة واحدة. هي آمنة للاستخدام ولا تتطلب سوى القليل أو لا تحتاج إلى معدات حماية شخصية. تأتي أدوات التصنيع الإضافي مزودة ببرمجيات مدمجة للتحكم والمراقبة بسهولة وسلاسة. 

العديد من الشركات تجعل التصنيع الإضافي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد سهلة لمجموعة من الصناعات. سنستعرض الآن بعض هذه الشركات.

#1. Markforged

توفر Markforged طيفًا كاملًا من حلول التصنيع الإضافي، بما في ذلك آلات الطباعة ثلاثية الأبعاد الصناعية، والمواد عالية الأداء مثل المعادن، والألياف المستمرة، والمركبات، وبرمجيات المؤسسة التي تساعد على تحسين سير العمل. 

تمتلك Markforged ثلاثة أنواع من طابعات 3D، بما في ذلك طابعات 3D للمعادن، وطابعات 3D مركبة صناعية، وطابعات 3D مركبة مكتبية. تشمل الصناعات التي تستخدم هذه الحلول الفضاء الجوي، السيارات، السلع الاستهلاكية المعبأة، التعليم والبحث، تصنيع الإلكترونيات، الطاقة، الحكومة والدفاع، المعدات الصناعية، المجال الطبي، وغيرها. 

أحد أكثر المنتجات شهرةً من Markforged هو FX10، طابعة 3D مركبة صناعية من الجيل التالي. يأتي الجهاز مزودًا بوحدة رؤية وميكرومتر ليزر، وحجرة مادة متقدمة للتحميل السريع وتقليل تدخل المستخدم، وشاشة لمس بحجم 7 بوصات، وحجرة بناء مُسخنة تصل إلى 60 درجة مئوية. 

أعلنت Markforged عن نتائج الربع الرابع والسنة الكاملة لعام 2022 في مارس 2023. شهدت الشركة زيادة في الإيرادات بنسبة 11% لتصل إلى 29.7 مليون دولار في الربع الرابع من 2022 مقارنةً بـ 26.6 مليون دولار في الربع الرابع من 2021. ارتفعت إيرادات السنة الكاملة بنسبة 11% إلى 101.0 مليون دولار أمريكي في 2022 مقارنةً بـ 91.2 مليون دولار في 2021. ومع ذلك، انخفض الربح الإجمالي بنسبة 4% إلى 50.7 مليون دولار في 2022 مقارنةً بـ 52.9 مليون دولار في 2021.

#2. Hewlett Packard

شركة تقنية كبيرة أخرى تستثمر بشكل كبير في إتاحة الطباعة ثلاثية الأبعاد للجميع هي Hewlett-Packard أو HP. حلول الطباعة ثلاثية الأبعاد من HP تجد استخدامها في مجموعة من الصناعات، بما في ذلك الفضاء الجوي، السلع الاستهلاكية والإلكترونيات، التعليم، الرعاية الصحية والطبية، الصناعة، خدمات التصنيع، الألياف المقولبة، الأجهزة التعويضية والبدائل، النقل والسيارات، وأكثر. أحد هذه المجالات التي تتطلب الوصول إلى معدات علمية محددة هو التعليم. تساعد تقنية الدمج المتعدد الفوهات من HP في بناء أجزاء ونماذج أولية وظيفية عبر تخصصات متعددة داخل مؤسسة تعليمية/بحثية، من الهندسة إلى العمارة. 

تساعد حلول الطباعة ثلاثية الأبعاد Jet Fusion من HP في كل من البحوث المخبرية الأساسية والمتقدمة، بما في ذلك تلك التي تُجرى في مختبرات التطوير، مختبرات التصنيع الإضافي، مكاتب خدمات الجامعات، ومختبرات 3D بالمستشفيات/المؤسسات الطبية.

أعلنت HP عن نتائج السنة المالية 2023 الكاملة والربع الرابع في 21 نوفمبر 2023. سجلت HP Inc. (HPQ ) وشركاتها التابعة (“HP”) إيرادات صافية قدرها 53.7 مليار دولار، بانخفاض 15% (انخفاض 12% بالعملة الثابتة) مقارنةً بالفترة السابقة. كانت إيرادات الربع الرابع الصافية 13.8 مليار دولار، بانخفاض 6% (انخفاض 5% بالعملة الثابتة) مقارنةً بالعام السابق.

#3. Formlabs

تأسست Formlabs على يد ثلاثة طلاب خريجي MIT في عام 2011 بهدف بناء أول طابعة ثلاثية الأبعاد يمكنها تحقيق جودة أجزاء صناعية ومهنية بسعر معقول. ومنذ ذلك الحين، أصبحت الشركة واحدة من أكبر موردي طابعات السيترو ليثوغرافيا والطباعة بالليزر الانتقائي ثلاثية الأبعاد المهنية في العالم. 

يتضمن مجموعة Formlabs مزيجًا من طابعات 3D المكتبية ذات الجودة الصناعية بأسعار معقولة، وطابعات 3D ذات الشكل الكبير، وطابعات مكتبية متقدمة للرعاية الصحية. يمكن لطابعاتها العمل بأكثر من 20 راتنجًا وظيفيًا للنمذجة وإنتاج الأجزاء النهائية. كما أنها متوافقة مع ما لا يقل عن ستة مواد صناعية عالية الأداء، بما في ذلك نايلون 11، نايلون 12، TPU، بولي بروبيلين، زجاج، ومركبات نايلون مملوءة بالكربون. تُناسب الطابعات للعمل في ظروف محيطة، مع احتياج راتنجات PU فقط إلى خزانة جافة للتحكم في الرطوبة. كما تعمل جيدًا في بيئات هوائية وجو نيتروجيني لتحسين خصائص المواد وتقليل معدلات التجديد.

وفقًا لتقارير نُشرت في 2021، تضاعفت قيمة الشركة إلى 2 مليار دولار أمريكي، بعد جولة تمويل بقيمة 150 مليون دولار قادتها مجموعة SoftBank Vision Fund 2. قبل ذلك، كانت قيمة الشركة تزيد عن مليار دولار عندما جمعت 15 مليون دولار من تمويل New Enterprise Associates (NEA) في أغسطس 2018.

التصنيع الإضافي: عامل تغيير في مجال البحث العلمي

يتطلب البحث العلمي آلات متطورة، ومع ذلك فإن هذه الأجهزة ذات تكلفة عالية غالبًا ما تكون خارج متناول مؤسسات البحث والباحثين المستقلين. في ظل ذلك، تُعد الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي نعمة في هذه الحالات، حيث إنها سهلة التطوير ومنخفضة التكلفة. علاوة على ذلك، تقدم نتائج مماثلة للأجهزة التجارية من حيث الدقة، والتي تكون أغلى بكثير وعادةً ما تكون متاحة فقط للشركات والمؤسسات الكبيرة.

علاوة على ذلك، يحل التصنيع الإضافي أيضًا التحديات التي تفرضها اللوجستيات. وهذا أمر حاسم لأن توفير المعدات العلمية الدقيقة في الوقت المحدد قد يكون مكلفًا ومستهلكًا للوقت. وفي هذا الصدد، تساعد الطباعة ثلاثية الأبعاد على حل هذه المشكلة أيضًا.

بالإضافة إلى ذلك، عند النظر إلى الجوانب الفيزيائية للمعدات العلمية، التي غالبًا ما تكون ثقيلة ومعقدة ولا تسهل نقلها إلى الأماكن الصعبة، تصبح الفوائد أوضح. كما رأينا بالفعل في سيناريوهات استكشاف الفضاء والمسوح الجيولوجية، فإن حمل طابعات ثلاثية الأبعاد المحمولة والمواد الخام إلى هذه المواقع مفيد لتطوير المعدات في الموقع.

مجملًا، تُظهر هذه العوامل أن التصنيع الإضافي يفتح أفقًا جديدًا حيث يصبح الوصول إلى المعدات العلمية ليس فقط أكثر تكلفة معقولة بل أيضًا عملية خالية من المتاعب.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم الطباعة ثلاثية الأبعاد والتصنيع الإضافي.