Table of Contents

ويشكل اختيار المواد أحد أهم القرارات في مجال التصنيع المضاف، وتحديد الخصائص الميكانيكية، والوظيفية، وصلاحية التطبيق للأجسام المطبوعة من 3D، كما أن القوة الميكانيكية لأجزاء من صنع الطباعة من 3D هي موضوع بحث، واتخاذ خيارات مادية مستنيرة ضرورية للمهندسين والمصممين والمصنعين الذين يسعون إلى تحقيق أفضل قدر من عناصرهم المطبوعة في حالات استخدام محددة.

فالعلاقة بين اختيار المواد والأداء الميكانيكي تتجاوز كثيرا الاعتبارات البسيطة المتعلقة بالقوة، حيث توفر المواد المختلفة مستويات متفاوتة من القوة المتشابكة والمرونة والدوامة ومقاومة التأثير والتسامح الحراري والمقاومة الكيميائية، ففهم هذه الممتلكات وكيفية تفاعلها مع عمليات الطباعة يتيح للممارسين إنشاء أجزاء تفي بمواصفات دقيقة مع تحقيق التوازن بين التكاليف والطابع ومتطلبات ما بعد التجهيز.

فهم المواد المحتوية على مطبوعات من 3D

وهناك عشرات المواد البلاستيكية المتاحة للطباعة 3D، وكل منها له صفات فريدة تجعله أفضل ملاءمة لحالات الاستخدام المحددة، وفيما عدا البلاستيك، تشمل المناظر الصناعية المضافة الراتنجات والفلزات والمركبات والمواد المتخصصة، التي توفر مزايا متميزة لكل منها بالنسبة لمختلف التطبيقات.

Thermoplastics: The Foundation of FDM Printing

وتعدّ اللدائن الحرارية أكثر أنواع البلاستيك شيوعاً، حيث إن السمة الرئيسية التي تُحدِّد هذه المواد إلى جانب حرائقها هي قدرتها على المرور في العديد من دورات الترميز والترسيب، مما يجعلها مثالية لنموذج الترسبات المزودة بالوقود ولعمليات تصنيع الصور المأهولة.

طباعة مزودة بأجهزة تصوير مزودة بأجهزة مزودة بأجهزة مزودة بأجهزة مضخة للأشعة، وهي مطبوعة تُودع طبقة من الأوزان حسب طبقة في منطقة البناء، وتشمل المواد الأكثر شيوعاً للزراعة PLA و ABS و PETG و nylon، وكلها ذات خصائص ميكانيكية متميزة.

فبرنامج المساعدة القانونية، وهو أكثر بلاستيكية طباعة، وبئر الطباعة، ويمتلك ممتلكات ميكانيكية لائقة - مهما كان الحال، وعدم وجود مقاومة حرارية كاملة، وانخفاض قدرتها على تحمل الدرع، يجعل من المستحيل استخدامه في البيئات الصناعية، وعلى الرغم من هذه القيود، يظل قانون المساعدة القانونية المدنية شائعاً في صياغة المشاريع التعليمية والأصناف الازدائية بسبب سهولة استخدامها وميلها المتدني إلى الاندثار.

وتتمتع هذه المادة بمقاومة حرارية أعلى، ولكنها ليست قوية بشكل خاص، وتتصرف بشكل غير سليم مع معظم المواد الكيميائية المصنعة، وهذه المادة توفر مقاومة للأثر الجيد ويمكن أن تتحمل درجات حرارة أعلى من درجة حرارة جيش تحرير السودان، مما يجعلها مناسبة للأجزاء الداخلية الآلية، والمضبوطات الإلكترونية، والنماذج الوظيفية التي تعاني من ضغط حراري متوسط.

ويأتي بي تي جي، وهو مجموعة فرعية من البوليثيلين، بين الاثنين: أقوى قليلا من البوليسترينات المحتوية على البوليثيلين، ومقاومة حرارة أكثر من جيش تحرير السودان، ولكنه لا يزال غير قوي بما يكفي لمعظم البيئات الصناعية، ويجمع بين الفريق وبين سهولة الطباعة وتحسين الممتلكات الميكانيكية، مما يوفر قدرا أفضل من تماسك الطبقات ومقاومة التأثير مقارنة بجيش تحرير فلسطين، بينما يكون أقل عرضة للضرب من البوليسترين.

الهندسة - الجراد الحراري

وبالإضافة إلى التصليحات الحرارية الأساسية، فإن المواد الهندسية تقدم خصائص ميكانيكية معززة بدرجة كبيرة من أجل الطلب على التطبيقات، وأكثر المواد شيوعاً لقطع الليزر الانتقائي هو النيلون، وهو ثيرموقراطي شعبي مع خصائص ميكانيكية ممتازة، وهي خفيفة الوزن، قوية ومرنة، فضلاً عن مستقرة ضد التأثير، والمواد الكيميائية، والحرارة، والضوء فوق البنفسجي، والمياه، والتراب.

إن مادة بولياميد 12 هي مادة طباعة شعبية من 3D لها خصائص ميكانيكية معززة تحل مشاكل مثل انخفاض القوة والقوة المتشابكة، كما أنها توفر قوة أثر كبيرة مطلوبة في أجزاء تتطلب المرونة، مما يجعل المواد التي تستخدم النيلون قيمة خاصة للعتاد والعلامات والعناصر الميكانيكية الأخرى خاضعة للاحتكاك والارتداء.

وتمثل البوليفونات خطوة أخرى في الأداء، إذ إن المادة الكيميائية ذات الأداء العالي معروفة بقسوتها ومقاومتها الحرارية واستقرارها البعدي والوضوح البصري العالي، مما يدل على خصائص ميكانيكية ممتازة، وشديدة القوة، ومقاومة التأثير، غير أن PC تتطلب درجات حرارة عالية في الطباعة وإدارة دقيقة للرطوبة لتحقيق نتائج مثلى.

بوليمرات عالية الأداء

وفي فترة الأداء المتعدد الأطراف، توجد مواد مثل PEK (polyetheretherketone) و PEK (polyetherketoneketone) وتراوحت درجة الحرارة العالية في بيك بين 150 و60 درجة مئوية (غير مجهزة)، وتصل إلى 315 درجة مئوية مع ألياف الكربون، بينما تُشبه مقاومة PEK HDT وتُصبح في كثير من الأحيان مُيسرة للطباعة.

والمفاضلة بين هذه الممتلكات الاستثنائية معقدة وتكلفة، إذ تحتاج هذه المواد إلى حركات جازية عالية جدا (370-400 درجة مئوية) وغرف مسخنة مغلقة، وهي مكلفة جدا، وعلى الرغم من هذه التحديات، فإنها تتيح تطبيقات تتطلب عناصر معدنية، وتوفر وفورات في الوزن ومرونة في التصميم.

Thermoset Resins for SLA Printing

تستخدم طابعات البوليثروغرافيا 3D الليزر لعلاج الراتنجات السائلة التي تصيب الحرارة في البلاستيك المكدس في عملية تسمى التحلل الضوئي، وخلافاً لمزيجات الحرارة، تخضع راتنجات الحرارة لتغييرات كيميائية لا رجعة فيها أثناء المعالجة، مما يخلق هياكل صلبة ومتشابكة.

والطباعة من نوع SLA 3D هي ذات طابع متعدد الجوانب، حيث توفر تركيبات راتنجية ذات طائفة واسعة من الخصائص البصرية والميكانيكية والحرارية لتتناسب مع خصائص القياس والهندسة والثروة الصناعية، كما توفر أوسع مجموعة من المواد القابلة للمقارنة الأحيائية، وهذا التناقض يجعل من الأفضل للمنظومة تطبيقات تتطلب قدرا كبيرا من التفصيل، والانتهاء من السطح السلس، والخصائص المادية المتخصصة.

وتقدم الرابطة أوسع مجموعة من البلاستيكات القابلة للطباعة من 3D التي لها طائفة كبيرة من الممتلكات الميكانيكية، وإن كانت تلاحظ أن نقاط القوة الأثرية أقل عموما من تلك التي تنطوي على تضخم حراري مشترك يُطلق عليه الحقن، ويجب النظر في هذا الحد عند تصميم أجزاء من التطبيقات التي تنطوي على حمولات صدمات أو قوات تأثير.

المواد المعدنية للتطبيقات الصناعية

وقد أدى طباعة المعادن 3D إلى إحداث ثورة في التصنيع من أجل تطبيقات عالية الأداء، ويمكن للطابعات من طراز SLM و DMLS 3D أن تخلق منتجات معدنية قوية ودقيقة ومعقدة، مما يجعل هذه العملية مثالية للفضاء الجوي والسيارات والتطبيقات الطبية.

وتشمل المواد المعدنية المشتركة التيتانيوم، والصلب اللاصق، والألومنيوم، والسبيكات المتخصصة، والوزن الخفيف، ولديه خصائص ميكانيكية ممتازة، حيث أن تكون قوية وقوية ومقاومة بدرجة كبيرة للحرارة والأكسدة والحمض، والصلب اللاصق ذو القوة العالية، والخصوبة العالية، ومقاومة للتآكل.

الألمنيوم هو مادة خفيفة الوزن، دائمة، قوية ذات خصائص حرارية جيدة، تجعله مشهوراً بالنسبة للفضاء الجوي والعناصر الآلية حيث يكون الحد من الوزن حاسماً، فولاذ الثورل هو مادة صلبة مقاومة للخدش يمكن أن تستخدمها لطباعة أدوات الاستخدام النهائي وغيرها من الأجزاء ذات القوة العالية.

التقدم الأخير يستمر في توسيع قدرات الطباعة المعدنية، وجد العلماء طريقة جديدة واعدة لتصنيع واحدة من أقوى المواد الصناعية - طباعة متطورة تستخدم فيها الـ 3D، مما يدل على التطور المستمر لتكنولوجيات التصنيع المضاف للمعادن.

الاختبارات الميكانيكية وعلامتها

ويعتبر فهم الممتلكات الميكانيكية لمواد الطباعة 3D أمرا أساسيا لاختيار المواد الصحيحة لكل طلب، وتحدد هذه الممتلكات كيفية أداء جزء منها في ظل ظروف تحميل مختلفة، والضغوط البيئية، والاحتياجات التشغيلية.

القوة المتعدّدة والجمال

قوة التشابك تُقيس مقاومة المواد للتوقف عن العمل بينما يصف الرطوبة قدرتها على العودة إلى شكلها الأصلي بعد التشهير، وتؤثر عمليات مختلفة للطباعة 3D ومعايير عملياتها على الممتلكات الميكانيكية لأجزاء، لا سيما الدهون، النسيج، القوة الخفيفة، إلخ، مع التركيز أساسا على المواد المتعددة الزمرات.

وكثيرا ما تختلف خصائص الحيازة التي تتكون منها الأجزاء المطبوعة من 3D عن خصائص المكونات المصنعة تقليديا بسبب عملية البناء حسب طبقة كل طبقة على حدة، وفي حالة التوتر، يؤثر تقلص الطرق من ناحية إلى أخرى، وتقلص الطرق، وارتفاع درجة الشرف في بعض الاتجاهات على الممتلكات المادية للأجزاء المطبوعة ويسبب انقساما.

وهذا السلوك المسبب للهووسات يعني أن الأجزاء قد تظهر مواطن قوة مختلفة تبعاً لتوجيه القوى التطبيقية مقارنة بالتوجه المطبوع، ويكشف التوجه نحو التسارع في العينات المبنية الشقية عن السلوك الأنيسوتروبيكي في عينات PC حيث أن الطريقة والقوام تختلف بنسبة تصل إلى 20 في المائة، مع وجود تباينات مماثلة في المقصف الخاص بمركبات PC.

مقاومة الأثر والجحة

مقاومة التأثير تصف قدرة المادة على امتصاص الطاقة أثناء الحمل المفاجئ بدون كسر، بينما القوة تمثل الطاقة الكاملة التي يمكن أن تستوعبها المواد قبل الفشل هذه الممتلكات حاسمة بالنسبة لأجزاء قد تصيبها صدمة أو آثار عرضية أثناء استخدامها.

ويتقاسم نظام المعلومات المتعلقة بالمبيدات الكثير من الممتلكات الميكانيكية مع البلاستيك المحتوي على البوليسترينات، ولكن، كما يشير الاسم، فإن لديه مقاومة أكبر بكثير للتأثير، مما يجعله خيارا ممتازا لإيجاد قطع دائمة ذات طابع ثلاثي الأبعاد يمكن أن تتأقلم مع اللبس والدموع كل يوم، مما يجعل نظام المعلومات المسبقة عن علم قيما بالنسبة للضغوطات الواقية ومقابض الأدوات والمنتجات الاستهلاكية.

وجهاز ABS هو مادة خفيفة الوزن معروفة لمقاومتها العالية الأثر، وهذه الخصائص، مقرونة بدرجة حرارة عالية من حرارة الانقسام الحراري، تجعل نظام ABS ملائما لمجموعة واسعة من التطبيقات والبيئات، ويجعل مزيج مقاومة التأثير والاستقرار الحراري مادة من مواد النظام الآلي للبيانات الجمركية من المواد الأولية الوظيفية وأجزاء الاستخدام النهائي.

درجة الحرارة ودرجة الحرارة

وتشير درجة حرارة حرارة حرارة حرارة الحرارة التي تبدأ فيها المادة في التشوه تحت حمولة محددة، وهذه الملكية حاسمة بالنسبة لأجزاء تعمل في بيئات حرارة مرتفعة أو بالقرب من مصادر الحرارة.

وتوفر السلطة الفلسطينية 12 40 في المائة من السود المصابين بالفلفلفليد درجة حرارة قدرها 248 درجة ف (120 درجة مئوية) عند قياسها بـ 264 بسي، مما يدل على أن المواد المملأة يمكن أن تعزز الأداء الحراري بشكل كبير.

وتوفر الوكالة خصائص ميكانيكية ممتازة إلى جانب المقاومة الجيدة للمواد الكيميائية والحرارة (درجة الحرارة الانتقالية لزجاج 100 درجة مئوية)، وتتقاسم الوكالة خصائص ميكانيكية ممتازة مع شركة ABS، ولكنها توفر مزايا إضافية، أكثر مقاومة للأشعة فوق البنفسجية والظروف الجوية القاسية، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للاستخدام في الأماكن الخارجية.

المرونة والاختبارات غير الطبيعية

وتتطلب بعض التطبيقات مواد يمكن أن تزدهر أو تمتد أو تضغط مرارا دون تشوه دائم.

وتُستَغَلُّ مواد الاتحاد من أجل مرونة ممتازة، ودرجة مرونة عالية، ومقاومة الدموع، ومقاومة اللبس، ومقاومة القطع، والاضطرابات، والدوام، وهذه الممتلكات تجعل وحدة التجارة والتفضيلية مثالية للأختام، والغاز، والهزات المرنة، والأجهزة القابلة للارتداء التي يجب أن تتوافق مع مواقد الجسم أو تستوعب الحركة.

80A المُتَحدّدُ a راتنج غير طبيعي مُطوّر إلى طباعة القطع المرنة التي تُكرّر مرونة المطاط، وهو مادة عالية الشبهات التي تتطلّب ما بعد التكتل للوصول إلى خواصها الميكانيكية المثلى، وهذا يُظهر أنه حتى في المواد المرنة، يمكن أن تؤثر المعالجة بعد ذلك تأثيراً كبيراً على خصائص الأداء النهائية.

المقاومة الكيميائية والبيئية

وتتطلب تطبيقات كثيرة مواد يمكن أن تصمد أمام التعرض للمواد الكيميائية، والرطوبة، والإشعاع فوق البنفسج، أو عوامل بيئية أخرى بدون تدهور.

(ب) الببليبروبيلين (PPP) مادة شعبية في الطباعة 3D، تقدر قيمتها بالنسبة لقابليتها للتنوع، وقوامها ومقاومتها الكيميائية، حيث تكون خفيفة الوزن ومرنة بينما تكون قادرة على الحصول على حمضات وقواعد ومذيبات عضوية، مما يجعل الـ (PPP) مناسبة لمعدات مناولة المواد الكيميائية، ومكونات المختبرات، والحاويات.

ويؤدي تأثير الإشعاع فوق البنفسج وارتفاع درجة الحرارة على الخواص الميكانيكية لمواد جيش تحرير السودان إلى انخفاض في الشعارات المتشابكة والقوة النهائية بسبب درجة الحرارة والتعرّض للإشعاع فوق البنفسج، ويعتبر فهم آليات التحلل هذه أمراً أساسياً للتنبؤ بالأداء الطويل الأجل واختيار المواد المناسبة لبيئة البيوت أو الأشعة فوق البنفسجية العالية.

المواد المركبة: تعزيز الأداء من خلال التعزيز

وتجمع المواد المركبة بين البوليمرات الأساسية والألياف أو الجسيمات المعززة لخلق مواد ذات خصائص ميكانيكية أعلى، وتسد الفجوة بين البلاستيك الموحد والفلزات، وتتيح تحسين الأداء مع الحفاظ على حرية التصميم ومزايا التكلفة للطباعة بواسطة البوليمر.

المركبات المجهزة المتجددة

وتزيد الألياف الحرارية التي تُلخَص بالألياف الكربونية من القوة والثبات، مما يتيح زيادة القوة والثبات إلى جانب تحسين الاستقرار البعدي، ويمكن لتعزيز الألياف الكربونية أن يحسن بشكل كبير نسبة القوة إلى الوزن في الأجزاء المطبوعة، مما يجعلها قادرة على المنافسة مع المكونات المعدنية في بعض التطبيقات.

والأجزاء التي تُعزز بالألياف باستمرار هي أمر أقوى من حيث الحجم، وأكثر تضخما، وأكثر استدامة من البلاستيك (المملوءة أو غير البلاستيكية) وتحافظ على مقاومة الحرارة، ومقاومة المواد الكيميائية، ونوعية طباعة مواد مصفوفة الحرارة لديها، مع القدرة على طباعة ألياف الكربون المجزأة المعززة (Onyx) مع تعزيزات مستمرة للألياف.

وينتج مسحوق النيلونيت المركب من طراز Grey-blue، الذي تعزز بإضافة 40 في المائة من الخرز الزجاجي، أجزاء من 3D-طباعة ذات مقاومة استثنائية للحرارة، تصل معدلات إعادة استخدام المسحوق إلى 100 في المائة، ويوفر تعزيز خرز الزجاج فوائد مختلفة عن تعزيز الألياف، ويوفر درجة محسنة من الشدة، ويرتدي مقاومة، مع الاحتفاظ بممتلكات أكثر بروتوغرافية.

المواد المحتوية على جسيمات

وبخلاف تعزيز الألياف، يمكن تعزيز المواد بملء مختلف الجسيمات لتحسين خصائص محددة. ف40 في المائة من غلاس - فيلد (PA614-GS) هو مسحوق من البارامترات محشو بمجالات زجاجية تجعله ثابتاً وببعد، مما يجعله مرشحاً مثالياً لأجزاء تتطلب خصائص مقاومة طويلة الأجل.

غير أن المواد المليئة بالمقايضة تأتي مع المفاضلات، ويمكن أن تكون مركبات الألياف الكربونية مفترسة للألم (المتطلبات من أزيز الفولاذ المكدسة)، ويمكن أن تكون أكثر رشوة من البلاستيك غير المسلّح، وأكثر تكلفة، ويجب أن تُراعى هذه الاعتبارات في قرارات اختيار المواد، ولا سيما بالنسبة للإنتاج العالي الحجم.

Metal-Plastic Composites

وتجمع التكنولوجيات المركبة الناشئة بين الجسيمات المعدنية وبين أجهزة متعددة الزمرات لإيجاد مواد يمكن طبعها على معدات معدلة لإدارة المواد الانشطارية ثم تقطعها لإنتاج قطع معدنية كاملة.() ويستند الصنع النووي المضاف إلى تكنولوجيا الصنع المعدني الموجودة في غلاف المعادن باستخدام عملية قائمة على FFF إلى قطع غيار معدنية مصممة بالكامل في مادة بلاستيكية مصممة في شكل مركب ثنائي.

ويتيح هذا النهج نقطة دخول أكثر سهولة للطباعة بالمعدن 3D مقارنة بتكنولوجيات دمج الأسرار المسحوقية، مع بعض القيود في اختيار المواد وحجم الأجزاء.

العوامل الحاسمة في اختيار المواد

ويتطلب اختيار المواد المثلى لمشروع الطباعة 3D موازنة عوامل متنافسة متعددة، وعند تحديد نوع المواد التي تستخدم في مشروع الطباعة 3D، من المهم النظر في عدد قليل من العوامل الرئيسية، لأن اختيار المواد المناسبة يمكن أن يكون جزءاً أساسياً من إيجاد بصمات قوية وناجحة من 3D.

الشروط الميكانيكية وشروط تحديد أماكن العمل

ويتمثل الاعتبار الرئيسي في اختيار المواد فيما إذا كانت المواد قادرة على تحمل الحمولات الميكانيكية، وتؤكد أن الجزء سيشهد أثناء الاستخدام، ويشمل ذلك التحميلات الثابتة، والحمولات الدينامية، والتحميل الدوري، وقوات التأثير، والسيناريات المشتركة للتحميل.

وينبغي أن تُقلل الأجزاء المستخدمة للاختبار بدقة من الخصائص الميكانيكية للمنتج النهائي، مع وجود قوة وقسوة حاسمة لضمان التحقق الدقيق من صحة النماذج الوظيفية، واختيار المواد التي تمثل بدقة مواد الإنتاج، يمكن من إجراء اختبارات أكثر موثوقية والتحقق من صحتها.

ويجب أن تعالج العناصر التي تستهدف استخدام العالم الحقيقي الإجهاد المتكرر، والتعرض البيئي، والارتداء الطويل الأجل، مع ضرورة الاستمرار والاتساق، وتحتاج أجزاء الاستخدام النهائي إلى مواد يمكن أن تحافظ على ممتلكاتها طوال فترة الخدمة المتوقعة، وتُمثل في التفشي، والزاحف، وتدهور البيئة.

القدرة على الطباعة والقابلية للاختراق

ولا تعمل جميع المواد مع جميع عمليات الطباعة 3D، بل قد تتطلب مواد متوافقة قدرات أو بارامترات محددة للمعدات، كما أن مختلف مواد الطباعة 3D وعمليات الطباعة البلاستيكية 3D لها مواطن القوة الخاصة بها والضعف الذي يحدد مدى ملاءمتها للتطبيقات المختلفة.

وتشمل قابلية الطباعة المادية عوامل مثل الميل إلى الغسل، وارتقاء طبقة المياه، ومتطلبات الدعم، والحساسية إزاء الظروف البيئية أثناء الطباعة، ومن السهل طباعة قانون الإجراءات القانونية بذخيرة منخفضة وضئيلة، وجيد للطباعات المفصلة، ولكن مقاومة حرارية منخفضة (HDT around 55°C) ويمكن أن تكون متقلبة.

وعلى النقيض من ذلك، فإن النظام الآلي للبيانات الجمركية هو مقياس حراري دائم ومقاوم للأثر معروف لقوامه، مما يوفر مقاومة عالية الأثر ومقاومة حرارية جيدة (HDT around 80-100°C) وقدرة على أن تكون بعد التجهيز بسلاسة بخار الأسيتون، ولكن يتطلب درجات حرارة طباعة أعلى، ويعرض للضرب، ويحدث صمامات إمتزاز (تلاك بخار جيد).

اعتبارات التكاليف

وتتباين تكاليف المواد تبايناً كبيراً عبر طيف مواد الطباعة 3D، من خامات السلع الأساسية غير المكلفة إلى البوليمرات والفلزات العالية الأداء. ويأتي معدن الطباعة 3D معوقات إضافية من حيث توافر المواد، وقيود التصميم، وضبط متطلبات الإنتاج والتجهيز بعد التجهيز، وتعهد أكثر كثافة في العمل وأكثر تكلفة.

وحتى عندما تكون المواد المعدنية متاحة، فإن طباعة جزء معدني ما زال في كثير من الأحيان أكثر تكلفة من الإنتاج التقليدي، حيث تُكلف بصمة فاشلة مئات أو آلاف الدولارات في تكاليف المواد وحدها، وكثيرا ما لا يمكن إعادة تدوير المسحوقات المعدنية غير المشبع، مما يضيف إلى كل من مسارات النفايات وتكاليف المواد المهدرة.

بالنسبة للعديد من التطبيقات، يمكن للبلاستيك أو المركبات الهندسية أن توفر أداءً كافياً بجزء من تكلفة الطباعة المعدنية، فالبلاستيك من الدرجة الهندسية، مثل كور ألفا، يقدم نسبة أعلى من القوة إلى الوزن من المعدن، مما يدل على أن ارتفاع التكلفة لا يعادل دائماً أداء أفضل لتطبيق معين.

ظروف التشغيل البيئية

فالبيئة التي سيعمل فيها جزء ما تؤثر تأثيرا كبيرا على اختيار المواد، ويمكن أن تؤثر المتطرفات المُعتدلة، والرطوبة، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، والاتصال الكيميائي، وغير ذلك من العوامل البيئية تأثيرا كبيرا على الأداء المادي وطول العمر.

ورصدت آثار الإشعاع فوق البنفسج، والبيئات العالية درجات الحرارة، والبيئات الرطوبة العالية، ودورات الحرارة، والتعرض لظروف الطقس، مع تقييم البارامترات المستمدة من الاختبارات (قوة متعددة، وصعوبة شديدة) تقييما إحصائيا لتقييم تأثير عوامل التدهور على خصائص كل مادة.

وأدى تسارع وتيرة استخدام المركبات في عينات مطبوعة من طراز FDM إلى انخفاض في قوة القذف وطريقة التطرف، مما أبرز أهمية النظر في التدوير الحراري في اختيار المواد لأجزاء من شأنها أن تشهد تقلبات حرارة متكررة.

الاحتياجات بعد التجهيز

ويتطلب الكثير من الأجزاء المطبوعة من 3D تجهيزا بعد التجهيز لتحقيق الخواص النهائية أو المظهر، ويمكن أن تشمل المعالجة بعد التجهيز إزالة الدعم، والانتهاء من السطح، ومعالجة الحرارة، والعلاج الكيميائي، وتطبيق التصفيق.

أجري تقييم تحليلي لتحديد إمكانية تأجير البوليمرات أو مكونات الراتنج في الوسط المحيط أثناء الترميز، وفحص ما إذا كانت الممتلكات الميكانيكية للمواد محمية بعد التعقيم، وبالنسبة للتطبيقات الطبية والمختبرية، فإن القدرة على تعقيم الأجزاء دون إهدار ممتلكاتها أمر أساسي.

وقد يغير التعرض للرطوبة والضوء فوق البنفسج من ظهور الأجزاء المطبعة من جيش تحرير السودان وحجمها وممتلكاتها الميكانيكية بمرور الوقت، مما يشير إلى أن بعض المواد قد تحتاج إلى معطفات أو علاجات وقائية للاستخدام الخارجي الطويل الأجل.

تعقيد التصميم ومتطلبات القياس الجغرافي

وتتيح المواد والعمليات المختلفة مستويات مختلفة من التعقيد الجغرافي، وحل المعالم، والانتهاء من سطح الأرض، وخيارا جيدا للأجزاء المكوّنة بسبب الانتهاء من الترسبات السطحية السلسة وتفاصيل السمات الدقيقة، مما يجعلها مثالية بالنسبة لأجزاء يكون فيها المظهر والتفاصيل أمرا بالغ الأهمية.

وتُستخدم أجزاء نظام الرصد والمراقبة المستدامة ومناسبة للطباعة السريعة والاختبارات الوظيفية وتطبيقات الاستخدام النهائي، كما تستخدم نظام SLS، المواد الحرارية، بحيث تكون الأجزاء دائمة ومناسبة للطباعة وتطبيقات الاستخدام النهائي، وهذه العمليات القائمة على المسحوق تُستفحل لإنتاج أجزاء وظيفية ذات خصائص ميكانيكية جيدة والقدرة على إنشاء مجمّعات داخلية معقدة دون هياكل دعم.

استراتيجيات اختيار المواد للتطبيقات المشتركة

وتشتمل فئات مختلفة من فئات التطبيقات على متطلبات خاصة تسترشد بها في اختيار المواد، ويساعد فهم حالات الاستخدام المشتركة هذه على تبسيط عملية اختيار المواد.

النماذج الواعدة والتصورية

وبالنسبة للطباعة الأولية للمسرح المبكر والتصور المفاهيمي، كثيرا ما تكون سهولة الطباعة والتكلفة والسرعة الأسبقية على الأداء الميكانيكي النهائي، وتنتج الراتنجات الموحدة بصمات عالية الدقة ذات نهاية متقنة للحقن، مع انخفاض تكلفتها، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الطباعة.

ولا يزال قانون المساعدة القانونية المتبادلة يحظى بشعبية نماذج المفاهيم بسبب سهولة استعماله، واتساع نطاق توافر الألوان، وانخفاض التكلفة، غير أنه بالنسبة للأنواع الأولية التي ستخضع للاختبارات الوظيفية، ينبغي اختيار المواد التي تمثل على نحو أفضل خصائص الإنتاج.

الاختبارات الوظيفية والتقييم

ويجب أن تمثل الأجزاء التي تستهدف الاختبار الوظيفي بدقة السلوك الميكانيكي لعناصر الإنتاج، وهذا يتطلب في كثير من الأحيان مواد من النوع الهندسي يمكن أن تتحلى بدورات الاختبار المتكررة وظروف التحميل الواقعية.

ويثق المهندسون والمصنعون في مختلف الصناعات في طباعة الليزر الانتقائي (SLS) بواسطة قدرتهم على إنتاج أجزاء وظيفية قوية، بتكلفة منخفضة لكل جزء، وإنتاجية عالية، ومواد ثابتة تجعل التكنولوجيا مثالية لمجموعة من التطبيقات من الإعداد السريع إلى المعونات الصناعية.

أجزاء الإنتاج من الاستخدام النهائي

وتتطلب أجزاء الإنتاج مواد يمكن أن تحافظ على ممتلكاتها طوال فترة الخدمة المتوقعة مع الوفاء بجميع المتطلبات الوظيفية والبيئية والتنظيمية، فالمزايا الاقتصادية والتقنية التي توفرها الطباعة بواسطة 3D تجعلها بديلا محتملا لعمليات التصنيع التقليدية، ولا سيما بالنسبة لتطوير المنتجات المعقدة والأفضل.

وفيما يتعلق بتطبيقات الإنتاج، فإن الاتساق المادي، والتوافر، واستقرار الممتلكات في الأجل الطويل، أصبحت اعتبارات حاسمة، وقد أظهرت النتائج أنه حتى بين فرادى المصنعين للخياطة ذاتها، توجد اختلافات في الممتلكات الميكانيكية وفي سلوك المواد بعد التعرض لآثار التدهور، مما يبرز أهمية المؤهلات المادية واختيار الموردين لاستخدام الإنتاج.

الأدوات والمساعدات المصنعة

وتتطلب وسائل التصنيع مواد يمكن أن تتحمل الحمولات الميكانيكية وتكرار مناولة مع الحفاظ على الاستقرار البعدي، وكثيرا ما تشهد الجراثيم والتجهيزات والتأثيرات دورات استخدام متكررة، ويجب أن تحافظ على تسامح شديد طوال حياتها في مجال الخدمة.

(ج) النايلونات المغلفة بالكلاوس وغيرها من المواد المعززة التي تُستخرج من تطبيقات الأدوات بسبب مزيجها من الحساسية، والارتداء بالمقاومة، والاستقرار البعدي، وقد يكون من الضروري تطبيقات ذات درجات أعلى، أو مواد مثل PEK أو الطباعة المعدنية.

التطبيقات الطبية والمتوافقة مع البيئة

وتفرض التطبيقات الطبية متطلبات صارمة لتحقيق التوافق البيولوجي، والتعقيم، والامتثال التنظيمي، ورغم أن الراتنجات المتوافقة أحيائياً متاحة الآن تجارياً، فإن أدائها الوظيفي وسلامة الأجل الطويل لم تدرسا بما فيه الكفاية، حيث تهدف هذه الدراسة إلى تيسير إدماج مواد الطباعة الثلاثية الأبعاد في تدفقات العمل المختبري للتكنولوجيا الحيوية القياسية من خلال فحص إمكانية استخدام تكنولوجيا التكتل الآلي كتقنية للتعقيم.

فالتيتانيوم قوي جداً، وزنه خفيف، له مقاومة تآكل ممتازة، وهو قابل للموازنة الأحيائية، مما يجعله مادّة الاختيار للعديد من الأجهزة الطبية المزروعة، وله مقاومة شديدة للارتداء، وهي قابلة للموازنة الأحيائية، وكثيراً ما تستخدم في الزرع الطبي.

التطبيقات الفضائية الجوية والتطبيقات العالية الأداء

وتطالب التطبيقات الفضائية الجوية بالمواد التي توفر نسباً استثنائية من حيث القوة إلى الوزن، ومقاومة درجة الحرارة، والموثوقية، وتستخدم هذه المواد في الفضاء الجوي والتطبيقات الطبية، باعتبارها أفضل أدوات طبية معقمة، وقطع الطائرات النفاثة، ومكونات مضخة كيميائية.

وتؤدي الطباعة المعدنية دورا هاما في التطبيقات الفضائية الجوية حيث يكون التصنيع التقليدي باهظ التكلفة أو مستحيلا، وقدرة على إنشاء قنوات معقدة للتبريد الداخلي، وهياكل بطيخة خفيفة الوزن، والجمعيات الموحدة تجعل الطباعة بالمعادن 3D قيمة رغم ارتفاع تكلفتها.

الاتجاهات الناشئة في المواد المطبوعة من 3D

ولا يزال ميدان مواد الطباعة 3D يتطور بسرعة، حيث توسع المواد والعمليات الجديدة من قدرات التصنيع المضاف.

الطباعة المتعددة الوسائط والعليا

وسيكتسب نظام إدارة المواد الانشطارية المتعدد المعادن مساراً، حيث تستكشف الأوساط الأكاديمية ومعاهد البحوث بصورة متزايدة إدارة متعددة المعادن، ويتوقع أن تصدر هذه التكنولوجيا المتقدمة عناوين رئيسية في عام 2026، ويتيح الطباعة المتعددة المواد إنشاء أجزاء ذات خصائص متباينة مكانياً، تجمع بين فوائد مختلف المواد في عنصر واحد.

ويستخدم بوليجيت عملية هروب حيث يتم إيداع قطرات صغيرة من البوليمرات السائلة في منصة بناء وتعالج في طبقات تشكل أجزاء من الفضاء الخارجي، ويمكنها طباعة أجزاء ذات ألوان متعددة وصعوبة، وهذه القدرة تتيح إنشاء أجزاء ذات قبضات خفيفة، أو ختم متكامل، أو مناطق مختلفة من الشدة.

المواد المستدامة والمعاد تدويرها

وتؤدي الشواغل البيئية إلى تطوير مواد طباعة مستدامة من 3D، وقد حقق التحقيق في مدى ملاءمة المواد القابلة لإعادة التدوير للطباعة من 3D طباعة كميات كبيرة من البوليمرات في وقت أقل، وخفض تكلفة المكونات البلاستيكية، حيث أن البلازما واللدائن المعاد تدويره هي مواد أرخص مدخلات.

وتوفر المواد القابلة للتحلل الأحيائي، مثل قانون المساعدة القانونية، مزايا نهاية الحياة، على الرغم من أن خصائصها الميكانيكية ومقاومتها البيئية تحد من تطبيقاتها، ولا تزال البحوث مستمرة في مواد تجمع بين الاستدامة والأداء العالي.

مراقبة العمليات المتقدمة وتحقيق الاستخدام الأمثل للمواد

ويمكن جمع التقارب بين قدرات تشكيل أشعة الليزر، والتعاطف مع الأدوات الحجمية، ونظم الأجهزة المفتوحة معاً من أجل إعطاء ضبط دقيق لمستوى الثوريل بطريقة فعالة بشكل لا يصدق، مع وجود أدوات من نوع CAD/CAE تتيح للمهندسين تحديد هذه المعلومات الحجمية على نحو أفضل، مع التغذية المرتدة من المحاكاة، والاختبار التجريبي، وربما زيادة طفيفة في معدلات الارتحال.

ويعود مستوى الرقابة هذا بتمكين المواد المصممة فعلاً والتي لها خصائص تختلف من ناحية، وتتفاوت إلى أقصى حد مع الولايات المحلية للإجهاد والاحتياجات الوظيفية، ويمكن لهذه القدرات أن تضفي على الخط الفاصل بين اختيار المواد وتصميم الأجزاء، وأن تستحدث نماذج جديدة للتشغيل الأمثل.

أفضل الممارسات في مجال اختيار المواد

ويتطلب النجاح في اختيار المواد نهجا منهجيا يراعي جميع العوامل والقيود ذات الصلة.

الاحتياجات المحددة بوضوح

وابتداء من تحديد واضح لجميع المتطلبات يجب أن يلبيها الجزء، بما في ذلك الحمولات الميكانيكية، والظروف البيئية، والتسامح البعدي، والانتهاء من سطح الأرض، والمتطلبات التنظيمية، والقيود المفروضة على التكاليف، وتوثيق القيم الدنيا المقبولة والقيم المستهدفة للممتلكات الحرجة.

النظر في دورة الحياة الكاملة

تقييم المواد استنادا إلى أدائها طوال دورة الحياة من الطباعة إلى نهاية العمر والنظر في كيفية تغير الممتلكات بمرور الوقت بسبب التعرض البيئي، أو الحمل الدوري، أو غير ذلك من آليات التدهور.

النموذج الأولي والاختبار

وفي كل وقت ممكن، يُظهر الاختبارات المطبوعة أو أجزاء نموذجية في المواد المرشحة ويخضعها لشروط اختبار واقعية، ويشير الاختبار المكثف الذي أجري على المقص إلى ضرورة اختبار الماشية من أجل فهم السلوك المادي ذي الطباع 3D فهما كاملا، مما يدل على أن الاختبار الميكانيكي الشامل يوفر معلومات عن عدم قدرة صحائف البيانات المادية وحدها على ذلك.

حساب الأنيسوتيروبية والطابع

تذكر أن الأجزاء المطبوعة من 3D كثيرا ما تظهر خصائص الأنيسوتروبيك بسبب عملية بناء طبقة كل طبقة على حدة، وتنتج عن ذلك أجزاء من الأنيسوتروبيك، وهو أمر هام للنظر فيه عندما تصمم أجزاء مناقصة تحمل حمولة أو مقاومة سحبها، وتتجه الأجزاء الشرقية أثناء الطباعة إلى مواءمة أقوى اتجاه مع اتجاه التحميل الأولي عند الإمكان.

صحائف البيانات والخبراء

:: زيادة ثروة المعلومات المتاحة من موردي المواد، ومصنعي المعدات، وخبراء الصناعة - توفر صحائف البيانات المتعلقة بالمواد بيانات أساسية قيمة، رغم أن الممتلكات الفعلية قد تتباين استنادا إلى معايير الطباعة والمعدات.

النظر في التكلفة الإجمالية للمالكين

وتجاوزت التكلفة المادية لكل كيلوغرام للنظر في التكلفة الإجمالية لإنتاج أجزاء مكتملة، بما في ذلك وقت الطباعة، ومعدلات الفشل، واحتياجات التجهيز بعد انتهاء الخدمة، والاحتياجات من المعدات، وقد تكون المواد الأكثر تكلفة التي تطبع بشكل موثوق وتتطلب أقل قدر من التجهيز بعد التجهيز أكثر اقتصادا من المواد الأرخص التي لها معدلات فشل أعلى.

خاتمة

إن اختيار المواد يشكل أساساً نجاح مشاريع الطباعة الثلاثية الأبعاد، والتأثير على الممتلكات الميكانيكية، والوظيفية، والتكاليف، وملاءمة التطبيقات، وبالنسبة للمهندسين ومصممي المنتجات والمصنّعين، فإن اختيار المواد المناسبة هو أمر أساسي لفتح كامل إمكانات الطباعة بثلاثة دي، وتحديد ما إذا كان جزء لا يناسب سوى وضع البطانة أو القوي والدائم والمقاومة من الناحية الكيميائية بما يكفي لإنتاج الاستخدام النهائي.

إن عالم المواد الآخذة في الاتساع من طباعة ٣ دال - من المحركات الحرارية الأساسية إلى البوليمرات ذات الأداء العالي والمركبات والفلزات - يوفر مرونة غير مسبوقة لمطابقة المواد مع التطبيقات، غير أن هذا الوفر من الاختيار يتطلب تقييما منهجيا للاحتياجات الميكانيكية، والظروف البيئية، وتوافق العمليات، والقيود على التكاليف، واحتياجات ما بعد التجهيز.

وما زال التقدم في علوم المواد يتوسع في ما يمكن مع طباعة 3D، حيث يجري تطوير مواد جديدة لتوفير قوة أفضل، ومقاومة حرارية أفضل، وزيادة قابلية الاستمرارية، مما يجعلها قابلة للتطبيق بصورة متزايدة في تطبيقات درجة الإنتاج، ومع استمرار تطور المواد والعمليات، فإن الفجوة بين الأجزاء المطبوعة من 3D والعناصر المصنعة تقليديا ما زالت تضيق، مما يتيح تطبيقات جديدة وإمكانيات تصميم جديدة.

ويأتي النجاح في اختيار المواد من فهم الممتلكات المادية الفردية، ولكن كيف تتفاعل هذه الممتلكات مع متطلبات التصميم، وعمليات الطباعة، وظروف التشغيل في العالم الحقيقي، ومن خلال اتباع نهج شامل إزاء اختيار المواد، ينظر في دورة الحياة الكاملة من التصميم إلى المحركات والمصممين النهائيين، يمكن أن يستفيدوا استفادة كاملة من قدرات التصنيع المضاف لخلق أجزاء تفي بالمواصفات مع تحقيق أقصى قدر من التكلفة والأداء والاستدامة.

For more information on 3D printing technologies and materials, visit Formlabs comprehensive materials guide, explore Protolabs' material selection resources, or consult recent research on 3D printed parts andميكانيكي properties tables.]