الملخص:التصنيع بالإضافة (FFF) هو عملية تصنيع إضافي (AM) تقوم ببناء أجسام ثلاثية الأبعاد عن طريق إيداع مادة لدن بالحرارة منصهرة بشكل انتقائي طبقة تلو الأخرى. يوفر هذا الدليل فحصًا تفصيليًا لتقنية FFF، بما في ذلك مبادئها الأساسية، واختلافات العملية، واعتبارات التصميم، والمواد، وتقنيات ما بعد المعالجة، والتطبيقات المتنوعة. إنه بمثابة مرجع موثوق للمهندسين والمصممين والمصنعين الذين يسعون إلى فهم واستخدام تقنية التصنيع هذه التي يمكن الوصول إليها على نطاق واسع.
1. مقدمة إلى التصنيع بالإضافة بالخيوط المنصهرة
التصنيع بالإضافة بالخيوط المنصهرة (FFF)، والمعروف أيضًا باسم النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM) – وهو مصطلح مسجل كعلامة تجارية لشركة Stratasys – هو واحد من أكثر تقنيات التصنيع الإضافي انتشارًا وإمكانية للوصول إليها اليوم. يتضمن المبدأ الأساسي لـ FFF تسخين خيوط لدن بالحرارة إلى نقطة انصهارها وبثقها من خلال فوهة في نمط محكم، وبناء الجسم طبقة فوق طبقة. تندرج هذه التقنية ضمن الفئة الأوسع للتصنيع الإضافي بالبثق المادي، كما هو محدد من قبل ASTM International.
يرتبط تاريخ FFF ارتباطًا وثيقًا بـ FDM، الذي اخترعه وسجله الدكتور س. سكوت كرومب في أواخر الثمانينيات. بعد انتهاء صلاحية براءات الاختراع الرئيسية وظهور مشروع RepRap (Replicating Rapid Prototyper) مفتوح المصدر، أصبحت التكنولوجيا متاحة على نطاق واسع للجمهور، مما أدى إلى اعتماد المصطلح غير الاحتكاري "التصنيع بالإضافة بالخيوط المنصهرة" أو مرادفه، "التصنيع بالإضافة بالخيوط المنصهرة (FFF)". وقد أدى هذا التحول الديمقراطي إلى تغذية الابتكار وجعل FFF واحدة من أكثر طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد شيوعًا ومنخفضة التكلفة لكل من الهواة والمحترفين.
تتميز FFF ببساطة التشغيل، واختيار المواد الواسع، وفعاليتها من حيث التكلفة للنماذج الأولية والإنتاج منخفض الحجم. ومع ذلك، فإن فهم إمكاناتها الكاملة يتطلب الغوص العميق في آليات عمليتها، وقيود التصميم، والتقدم المستمر الذي يستمر في توسيع قدراتها.
2. عملية FFF: تفصيل خطوة بخطوة
يمكن تقسيم عملية FFF بشكل منهجي إلى ثلاث مراحل رئيسية: المعالجة المسبقة، والطباعة، وما بعد المعالجة.
2.1. المعالجة المسبقة (الإعداد الرقمي)
تتضمن هذه المرحلة إعداد النموذج الرقمي للطباعة. تبدأ بإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد عادةً بتنسيق ملف STL أو OBJ، والذي يمثل الهندسة الخارجية للكائن باستخدام شبكة من المثلثات. ثم يتم استيراد هذا النموذج إلى برنامج التقطيع. يقوم البرنامج بتقطيع النموذج ثلاثي الأبعاد إلى طبقات أفقية رقيقة (عادةً ما يتراوح سمكها بين 0.05 و 0.3 مم) وينشئ كود G، وهي مجموعة من التعليمات التي تملي حركات الطابعة، بما في ذلك مسارات الأدوات لكل من النموذج وأي هياكل دعم ضرورية، ودرجات حرارة الطباعة، وسرعات الطباعة.
2.2. الطباعة (عملية التصنيع)
تتبع عملية الطباعة الفعلية تعليمات كود G بدقة:
تغذية الخيوط: يتم تغذية خيوط لدن بالحرارة الصلبة، وعادة ما يتم لفها على بكرة، في مجموعة الطارد الخاصة بالطابعة بواسطة آلية تروس القيادة.
التسخين والانصهار: تمر الخيوط إلى فوهة مسخنة (أو مسيلة)، حيث يتم تسخينها إلى حالة شبه سائلة، أعلى بقليل من درجة حرارة التحول الزجاجي.
البثق والإيداع: يتم إجبار المادة المنصهرة من خلال فوهة دقيقة (تتراوح الأقطار عادةً من 0.2 إلى 0.8 مم) وإيداعها على منصة البناء على طول مسار الأداة المحدد للطبقة الحالية.
توطيد الطبقة: تندمج المادة المبثوقة مع الطبقة المترسبة سابقًا عند التلامس، وتتصلب من خلال التبريد. ثم تنخفض منصة البناء (أو ترتفع رأس الطباعة) بمقدار ارتفاع طبقة واحدة، وتتكرر العملية حتى يكتمل الكائن.
2.3. ما بعد المعالجة
بعد الطباعة، قد تكون هناك حاجة إلى عدة خطوات:
إزالة الدعم: بالنسبة للنماذج ذات النتوءات أو الهندسات المعقدة، تتم طباعة هياكل الدعم في وقت واحد باستخدام مادة منفصلة، غالبًا ما تكون قابلة للذوبان في الماء أو قابلة للكسر. يجب إزالتها يدويًا أو إذابتها في محلول بعد اكتمال الطباعة.
التشطيب السطحي: قد تخضع الأجزاء للتشطيب لتحسين المظهر أو الوظيفة. تشمل التقنيات الصنفرة والتلميع والتحضير والطلاء أو التنعيم الكيميائي بالأبخرة لتقليل رؤية خطوط الطبقة.
3. اعتبارات التصميم الهامة لـ FFF
يتطلب تصميم الأجزاء لـ FFF فهمًا لقدرات العملية وقيودها لضمان إمكانية الطباعة والوظائف.
ارتفاع الطبقة: يحدد هذا الدقة الرأسية للطباعة. تنتج ارتفاعات الطبقات الأصغر أسطحًا رأسية أكثر سلاسة ولكنها تزيد من وقت الطباعة.
الاتجاه: يؤثر اتجاه الجزء على لوحة البناء بشكل حاسم على قوته وجودة سطحه والحاجة إلى الدعامات. نظرًا للطبيعة متباينة الخواص لأجزاء FFF، فإنها تكون بشكل عام أقوى على طول اتجاه ترسيب الطبقة (مستوى X-Y) وأضعف في الاتجاه الرأسي (Z) نظرًا لأن الرابط بين الطبقات يمثل نقطة فشل محتملة.
هياكل الدعم: تتطلب الميزات المتدلية التي تتجاوز زاوية معينة (عادةً 45 درجة أو أكثر) دعامات. يمكن أن يؤدي التصميم لتقليل النتوءات أو دمج الزوايا ذاتية الدعم إلى تقليل استخدام المواد وتحسين كفاءة ما بعد المعالجة.
الجدران والحشو: تحدد المحيطات الخارجية (الجدران) غلاف الجزء، بينما يوفر نمط الحشو الداخلي (مثل الشبكة، قرص العسل) هيكلًا داخليًا. يمكن تعديل كثافة الحشو (النسبة المئوية للمادة الصلبة داخل الجزء) لتحقيق التوازن بين القوة والوزن واستخدام المواد ووقت الطباعة.
التجسير: يمكن لـ FFF طباعة مسافات بين دعامتين رأسيتين دون مادة أساسية، وهي تقنية تُعرف باسم التجسير. تعد إعدادات التبريد والطباعة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية للتجسير الناجح.
التفاوتات والدقة الأبعاد: يجب على المصممين مراعاة انكماش المواد، خاصة مع مواد مثل ABS، والتي يمكن أن تؤدي إلى عدم دقة الأبعاد والالتواء. قد تحتاج ميزات مثل الثقوب والدبابيس إلى تعديلها في النموذج الرقمي لتحقيق الأبعاد النهائية المطلوبة.
4. مواد لـ FFF
اختيار المواد لـ FFF واسع النطاق ويدور في المقام الأول حول المواد اللدائنية الحرارية نظرًا لقدرتها على الذوبان والتصلب بشكل متكرر.
4.1. الخيوط الشائعة
حمض البوليلاكتيك (PLA): مادة لدن بالحرارة قابلة للتحلل الحيوي مشتقة من موارد متجددة مثل نشا الذرة. إنه شائع بسبب سهولة استخدامه، وانخفاض الالتواء، وتوافر الألوان الواسع، ولكنه يتمتع بقوة أقل ومقاومة للحرارة مقارنة بالبلاستيك الهندسي الأخرى.
أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS): معروف بقوته الجيدة ومتانته ومقاومته للحرارة. من الصعب طباعته أكثر من PLA بسبب الانكماش والالتواء الكبيرين إذا لم تتم طباعته في غرفة مسخنة.
البولي أميد (النايلون): مقدر لقوته العالية ومتانته ومرونته ومقاومته للتآكل. إنه استرطابي، ويتطلب تخزينًا جافًا.
البولي كربونات (PC): بلاستيك هندسي يتمتع بقوة عالية جدًا ومقاومة للحرارة، ولكنه يتطلب درجات حرارة طباعة عالية وغرفة مغلقة لمنع الالتواء.
بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK): بوليمر فائق الأداء يتمتع بخصائص ميكانيكية استثنائية وثبات حراري، ويستخدم في تطبيقات الفضاء والطبية المتطلبة.
4.2. مواد الدعم
دعامات قابلة للكسر: مصنوعة عادةً من نفس المادة الأساسية مثل النموذج ولكنها مطبوعة بنمط أقل كثافة لتسهيل الإزالة.
دعامات قابلة للذوبان في الماء: تذوب مواد مثل كحول البولي فينيل (PVA) في الماء، مما يجعلها مثالية للهندسات الداخلية المعقدة حيث تكون الإزالة اليدوية مستحيلة.
| المادة | الخصائص الرئيسية | صعوبة الطباعة | التطبيقات الشائعة |
| PLA | سهل الطباعة، قليل الالتواء، قابل للتحلل الحيوي، هش | سهل | نماذج أولية، نماذج تعليمية، أجزاء غير وظيفية |
| ABS | صلب، متين، مقاوم للحرارة، عرضة للالتواء | متوسط | نماذج أولية وظيفية، حاويات، قطع غيار السيارات |
| PETG | قوي، متين، مقاوم جيد للمواد الكيميائية والرطوبة | سهل إلى متوسط | زجاجات المياه، الأجزاء الميكانيكية، الحاويات الآمنة للطعام |
| نايلون | قوي، مرن، مقاوم للتآكل، استرطابي | متوسط إلى صعب | تروس، مفصلات، أدوات |
| TPU/TPE | مرن، مرن، مقاوم للصدمات | متوسط | حشيات، أجهزة يمكن ارتداؤها، ممتصات الصدمات |
5. مزايا وقيود FFF
5.1. المزايا
فعالية التكلفة: تتمتع طابعات FFF، وخاصة نماذج سطح المكتب، بتكلفة دخول منخفضة. تعتبر تكاليف المواد منخفضة نسبيًا أيضًا مقارنة بتقنيات AM الأخرى.
تشكيلة المواد: تتوفر مجموعة واسعة من المواد اللدائنية الحرارية، بما في ذلك المركبات التي تحتوي على ألياف الكربون أو الخشب أو جزيئات المعادن للحصول على خصائص متخصصة.
سهولة الاستخدام والسلامة: العملية نظيفة ولا تتضمن أشعة ليزر عالية الطاقة أو مواد كيميائية سامة، مما يجعلها مناسبة لبيئات المكاتب والمنزل.
النماذج الأولية السريعة: إنها تمكن من التكرار السريع وتصور مفاهيم التصميم.
5.2. القيود
الخصائص الميكانيكية متباينة الخواص: الأجزاء أضعف بطبيعتها بين الطبقات (المحور Z) من داخل الطبقة (مستوى X-Y).
خطوط الطبقة: تؤدي خطوط الطبقة المرئية إلى تأثير "الدرج" على الأسطح المنحنية، مما قد يؤثر على الجماليات ويتطلب ما بعد المعالجة للتنعيم.
دقة ودقة أقل: تتمتع FFF بشكل عام بدقة أبعاد أقل ودقة ميزات أقل مقارنة بتقنيات مثل التصوير المجسم (SLA) أو التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS).
سرعات بناء بطيئة: يجعل الإيداع النقطي للمادة FFF أبطأ من بعض عمليات AM الأخرى للأجزاء الكبيرة والصلبة.
الحاجة إلى هياكل الدعم: يضيف هذا إلى هدر المواد، ويزيد من وقت الطباعة، ويتطلب عمالة إضافية بعد المعالجة.
6. تطبيقات تقنية FFF
تسمح تعددية استخدامات FFF باستخدامها عبر عدد كبير من الصناعات.
النماذج الأولية السريعة: التطبيق الأكثر تقليدية، مما يسمح للمصممين والمهندسين بإنشاء نماذج مادية للاختبار من حيث الشكل والملاءمة والوظيفة بسرعة وبتكلفة زهيدة.
مساعدات التصنيع: تُستخدم FFF لإنتاج القوالب والتركيبات والأدوات المخصصة لخطوط التجميع، مما قد يقلل من أوقات الإنتاج والتكاليف.
التعليم: إن تكلفتها المنخفضة وبساطة التشغيل تجعل FFF أداة ممتازة لتعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات، وتعزيز الإبداع والتعلم العملي في التصميم والهندسة.
الطب وطب الأسنان: تشمل التطبيقات النماذج التشريحية للتخطيط الجراحي، والأطراف الاصطناعية المخصصة، والأجهزة المساعدة.
أجزاء الاستخدام النهائي: مع المواد عالية الأداء ومعلمات الطباعة المحسّنة، يتم استخدام FFF بشكل متزايد للتصنيع منخفض الحجم للمنتجات النهائية، خاصة في صناعات الفضاء والسيارات والسلع الاستهلاكية.
