إن مسحوق الطباعة والنفث بنفث الحبر 3D ، والمعروف اختصارًا باسم “النفاث الموثق” و “المسحوق على المسحوق” – أو ببساطة “الطباعة ثلاثية الأبعاد” (3DP) – هي تقنية أولية سريعة وتصنيع مضافة لتصنيع الأشياء الموصوفة بالبيانات الرقمية مثل ملف CAD.

التاريخ
تم تطوير هذه التقنية لأول مرة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 1993 وفي عام 1995 حصلت شركة Z Corporation على ترخيص حصري. العلامة التجارية “الطباعة ثلاثية الأبعاد” كانت مسجلة بعلامة تجارية.

وصف
كما هو الحال في العديد من عمليات التصنيع المضافة الأخرى ، فإن الجزء المراد طباعته مبني على العديد من المقاطع العرضية الرفيعة من النموذج الثلاثي الأبعاد. يتحرك رأس الطباعة بنفث الحبر عبر سرير مسحوق ، بإيداع مادة ملزمة سائلة بشكل انتقائي. يتم نشر طبقة رقيقة من المسحوق عبر القسم المكتمل وتكرار العملية مع كل طبقة تلتزم بالآخر.

عند اكتمال النموذج ، يتم مسح المسحوق غير المصقول تلقائيًا و / أو يدويًا في عملية تسمى “إزالة البودرة” ويمكن إعادة استخدامها إلى حد ما.

يمكن أن يخضع جزء المسحوق الاختياري اختياريًا لمختلقيين أو علاجات أخرى لإنتاج خواص مطلوبة في الجزء الأخير.

تقنية
في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يتم بناء قطع العمل على الطبقة. يتم استخدام البيانات ثلاثية الأبعاد (مثل بيانات CAD) لحساب الشكل الهندسي المراد إنشاؤه لكل طبقة فردية. في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يتم تطبيق مسحوق أو طبقة حبيبية على طاولة قابلة للضبط بدرجة عالية ويتم لصقها عن طريق الموثق في النقاط التي تنتمي إلى قطعة الشغل. يشبه ذلك طابعة نفث الحبر التقليدية ، رأس الطباعة ، والتي تستخدم الموثق بدلاً من الحبر. بعد ذلك ، يتم خفض الجدول بسماكة طبقة واحدة وتطبيق طبقة مسحوق جديدة. يتكرر هذا حتى يتم تشكيل قطعة العمل بالكامل ، والتي يتم إخفاؤها بالكامل بعد ذلك بواسطة المسحوق المحيط بها. بعد ذلك ، يتم إرجاع المسحوق الطافي لمزيد من الاستخدام ، تتم إزالة قطعة العمل من الطابعة وتحررها من بقايا مسحوق.

وبالتالي فإن مبدأ العملية يشبه ذوبان الليزر الانتقائي ، حيث يذوب المسحوق المعدني محليًا بواسطة الليزر.

المواد
في التطبيقات الأصلية ، يملأ مسحوق الجص والنشا مسحوق المسحوق ، ويكون “الموثق” السائل في معظمه ماء لتنشيط الجص. تشتمل الموثق أيضًا على الأصباغ (للطباعة بالألوان) ، والمواد المضافة لضبط اللزوجة ، والتوتر السطحي ، ونقطة الغليان لمطابقة مواصفات رأس الطباعة. أجزاء الجبس الناتجة عادة ما تفتقر إلى “قوة خضراء” وتتطلب التسلل بواسطة الشمع المذاب ، الغراء cyanoacrylate ، الايبوكسي ، الخ قبل المعالجة العادية.

على الرغم من أنه لا يستخدم بالضرورة تقنية نفث الحبر التقليدية ، إلا أنه يمكن نشر مجموعات أخرى من المكوّنات المسحوقية لتكوين كائنات بالوسائل الكيميائية أو الميكانيكية. قد تخضع الأجزاء الناتجة بعد ذلك لأنظمة ما بعد المعالجة المختلفة ، مثل التسلل أو التحميص. ويمكن القيام بذلك ، على سبيل المثال ، لإزالة الموثق الميكانيكي (على سبيل المثال ، بالحرق) ودمج المادة الأساسية (على سبيل المثال ، عن طريق الصهر) ، أو لتشكيل مادة مركبة تمزج خصائص مسحوق ورابط. اعتمادًا على المادة ، قد تكون أو لا تكون الطباعة بالألوان الكاملة خيارًا. اعتبارا من عام 2014 ، قام المخترعون والمصنعون بتطوير أنظمة لتكوين أجسام من الرمل وكربونات الكالسيوم (تشكيل الرخام الصناعي) ، ومسحوق الأكريليك و cyanoacrylate ، ومسحوق السيراميك وموثق سائل ، والسكر والماء (لصنع الحلويات) ، إلخ. أول المنتجات المتاحة تجاريا التي أدرجت استخدام الجرافين ، وكان مركب مسحوق يستخدم في رأس الطباعة النافثة للحبر سرير مسحوق 3D.

تتميز تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بإمكانيات محدودة لتغيير خصائص المواد في بنية واحدة ، ولكنها محدودة بشكل عام من خلال استخدام مادة أساسية مشتركة. في أنظمة Z Corporation الأصلية ، عادة ما تتم طباعة المقاطع العرضية مع خطوط خارجية صلبة (تشكيل غلاف صلب) ونمط داخلي منخفض الكثافة لتسريع الطباعة وضمان ثبات الأبعاد أثناء معالجة الجزء.

مميزات
بالإضافة إلى اللون الحجمية باستخدام رؤوس الطباعة المتعددة والرابط الملون ، فإن عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد تكون بشكل عام أسرع من غيرها من تقنيات التصنيع المضافة مثل نفث ترسيب قوالب النمذجة المنصهرة التي تتطلب 100٪ من مواد البناء والدعم المودعة عند الدقة المطلوبة . في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يتم ترقيم الجزء الأكبر من كل طبقة مطبوعة ، بغض النظر عن مدى تعقيدها ، بنفس عملية الانتشار السريع.

وكما هو الحال في تكنولوجيات الأسِرة الأخرى ، لا تكون هياكل الدعم مطلوبة عمومًا لأن المسحوق السائب يدعم خصائص متجاورة وأشياء مكدسة أو معلقة. يمكن أن يؤدي التخلص من هياكل الدعم المطبوعة إلى تقليل وقت الإنشاء واستخدام المواد وتبسيط كلا الجهازين والمعالجة اللاحقة. ومع ذلك ، يمكن أن تكون إزالة البودرة نفسها مهمة حساسة وفوضوية وتستغرق وقتا طويلا. بعض الآلات بالتالي أتمتة عملية إزالة المسحوق والمسحوق إلى أي مدى ممكن. بما أن كامل حجم البناء مملوء بمسحوق ، كما هو الحال مع الطباعة الحجرية ، فإن الوسائل لإخلاء جزء مفرغ يجب أن يتم استيعابها في التصميم.

مثل العمليات الأخرى لمسحوق البودرة ونهاية السطح ودقته وكثافة الكائن ، وطبقًا للمادة والعملية ، قد تكون قوة جزء أقل من تقنيات مثل الطباعة الحجرية (SLA) أو تلبيد الليزر الانتقائي (SLS). على الرغم من أن خصائص “الدرج” وخصائص الأبعاد غير المتماثلة هي ميزات للطباعة ثلاثية الأبعاد مثل معظم عمليات التصنيع ذات الطبقات الأخرى ، فإن مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد يتم دمجها بشكل عام بطريقة تقلل من الفرق بين الدقة الرأسية والمستوية. وتتيح هذه العملية أيضًا إمكانية تنقيط الطبقات بدقة متناهية ، وهي عملية سريعة يمكنها استيعاب المواد الصلبة المتقاطعة وغيرها من عناصر البيانات.

تتراوح أسعار طابعات البودر و الطابعات النافثة للحبر عادةً من $ 50،000 إلى $ 2،000،000 ، لكن هناك مجموعة DIY من الهواة تبيع من $ 800 لتحويل طابعة FDM للمستهلك إلى مسحوق / طابعة Inkjet.

المميزات والعيوب
من الناحية النظرية ، يمكن استخدام جميع المواد طالما يمكن لصقها على الموثق. على وجه الخصوص ، يمكن معالجة الأطعمة أو المواد الحساسة لدرجة الحرارة مثل الأدوية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مجلدات مختلفة داخل قطعة واحدة لتصنيع مناطق ذات خصائص ميكانيكية مختلفة. كما الموثق ، يمكن استخدام العديد من المواد ، ل. على سبيل المثال ، تلك القائمة على الماء أو الراتنجات الاصطناعية أو الخلايا الحية. من حيث المبدأ ، لا يجب أن تكون المساحيق متطابقة في كل طبقة.

بالإضافة إلى ذلك ، في Binder Jetting ، على غرار تلبيد الليزر ، لا توجد مواد دعم ضرورية لأن قطعة العمل يتم حملها بواسطة المسحوق أثناء عملية الإنتاج.

ومع ذلك ، لا توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد قطعة عمل قوية جدًا. خاصة عند استخدام المعادن كمواد ، يجب إزالة قطع الشغل في وقت لاحق من الموثق وتكلس لضمان قوة كافية. هذا يؤدي إلى انكماش ، بحيث يصعب تحديد الشكل النهائي للهندسة ، لكن هذا يمكن التحكم فيه بشكل أساسي مع خبرة كافية.