استمر التصنيع الإضافي، المعروف أيضاً بالطباعة ثلاثية الأبعاد، في التطور لما يقارب 35 عاماً منذ استخدامه تجارياً. وتستخدم قطاعات الطيران والفضاء، والسيارات، والدفاع، والطاقة، والنقل، والطب، وطب الأسنان، والصناعات الاستهلاكية، التصنيع الإضافي في مجموعة واسعة من التطبيقات.
مع هذا الانتشار الواسع، يتضح أن التصنيع الإضافي ليس حلاً واحداً يناسب الجميع. وفقاً لمعيار المصطلحات ISO/ASTM 52900، تندرج جميع أنظمة التصنيع الإضافي التجارية تقريباً ضمن إحدى فئات العمليات السبع التالية: بثق المواد (MEX)، والبلمرة الضوئية في المحلول (VPP)، وصهر مسحوق الطبقة (PBF)، ورش المادة الرابطة (BJT)، ورش المواد (MJT)، والترسيب الموجه للطاقة (DED)، وتصفيح الصفائح (SHL). فيما يلي ترتيبها حسب شيوعها بناءً على مبيعات الوحدات.
يتزايد عدد المتخصصين في الصناعة، بمن فيهم المهندسون والمديرون، الذين يتعلمون متى يمكن للتصنيع الإضافي أن يُحسّن المنتج أو العملية، ومتى لا يُجدي نفعًا. تاريخيًا، كانت المبادرات الرئيسية لتطبيق التصنيع الإضافي تأتي من مهندسين ذوي خبرة في هذه التقنية. أما الإدارة، فترى أمثلة أكثر على كيفية مساهمة التصنيع الإضافي في تحسين الإنتاجية، وتقليل فترات التسليم، وخلق فرص عمل جديدة. لن يحل التصنيع الإضافي محل معظم أساليب التصنيع التقليدية، ولكنه سيصبح جزءًا من ترسانة رواد الأعمال في تطوير المنتجات وقدرات التصنيع.
تتمتع تقنية التصنيع بالإضافة بنطاق واسع من التطبيقات، بدءًا من الموائع الدقيقة وصولًا إلى الإنشاءات الضخمة. وتختلف فوائدها باختلاف الصناعة والتطبيق والأداء المطلوب. يجب أن تمتلك المؤسسات أسبابًا وجيهة لتطبيق هذه التقنية، بغض النظر عن حالة الاستخدام. ومن أبرز هذه الأسباب: النمذجة المفاهيمية، والتحقق من التصميم، والتحقق من الملاءمة والوظائف. وتتزايد أعداد الشركات التي تستخدمها لإنشاء أدوات وتطبيقات للإنتاج الضخم، بما في ذلك تطوير المنتجات حسب الطلب.
يُعدّ الوزن عاملاً بالغ الأهمية في تطبيقات الفضاء الجوي. فبحسب مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا، تبلغ تكلفة وضع حمولة وزنها 0.45 كيلوغرام في مدار أرضي حوالي 10,000 دولار أمريكي. ويمكن لخفض وزن الأقمار الصناعية أن يُساهم في توفير تكاليف الإطلاق. تُظهر الصورة المرفقة قطعة معدنية مُصنّعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من شركة Swissto12، تجمع عدة موجهات موجية في قطعة واحدة. وبفضل هذه التقنية، انخفض الوزن إلى أقل من 0.08 كيلوغرام.
تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد على امتداد سلسلة القيمة في قطاع الطاقة. بالنسبة لبعض الشركات، تكمن جدوى استخدامها في تسريع وتيرة تطوير المشاريع لإنتاج أفضل منتج ممكن في أقصر وقت. في قطاع النفط والغاز، قد تُكلّف الأجزاء أو التجميعات التالفة آلاف الدولارات أو أكثر من خسائر الإنتاجية في الساعة. لذا، يُعدّ استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لاستعادة العمليات خيارًا جذابًا للغاية.
أصدرت شركة MX3D، وهي شركة رائدة في تصنيع أنظمة الترسيب المباشر للطاقة (DED)، نموذجًا أوليًا لأداة إصلاح الأنابيب. ووفقًا للشركة، قد تتراوح تكلفة إصلاح خط أنابيب متضرر بين 100,000 و1,000,000 يورو (113,157 - 1,131,570 دولارًا أمريكيًا) يوميًا. يستخدم الجهاز الموضح في الصفحة التالية قطعة مصنعة باستخدام الحاسوب (CNC) كإطار، ويعتمد على تقنية الترسيب المباشر للطاقة (DED) للحام محيط الأنبوب. توفر تقنية التصنيع بالإضافة (AM) معدلات ترسيب عالية مع الحد الأدنى من الهدر، بينما توفر تقنية الحاسوب (CNC) الدقة المطلوبة.
في عام 2021، تم تركيب غلاف مائي مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد على منصة نفطية تابعة لشركة توتال إنيرجيز في بحر الشمال. تُعدّ الأغلفة المائية عنصرًا بالغ الأهمية للتحكم في استخلاص الهيدروكربونات من الآبار قيد الإنشاء. في هذه الحالة، تتمثل فوائد استخدام التصنيع الإضافي في تقليل فترات الانتظار وخفض الانبعاثات بنسبة 45% مقارنةً بالأغلفة المائية التقليدية المصنعة بالتشكيل.
من بين المزايا التجارية الأخرى للتصنيع الإضافي تقليل تكلفة الأدوات باهظة الثمن. طورت شركة فون سكوب محولات للتصوير الرقمي عبر المنظار للأجهزة التي تربط كاميرا الهاتف بالتلسكوب أو المجهر. تُطرح هواتف جديدة كل عام، مما يتطلب من الشركات طرح خط إنتاج جديد من المحولات. باستخدام التصنيع الإضافي، يمكن للشركة توفير المال الذي يُنفق على الأدوات باهظة الثمن التي يجب استبدالها عند طرح هواتف جديدة.
كما هو الحال مع أي عملية أو تقنية، لا ينبغي استخدام التصنيع الإضافي لمجرد كونه جديدًا أو مختلفًا، بل لتحسين تطوير المنتجات وعمليات التصنيع، وإضافة قيمة حقيقية. ومن الأمثلة على تطبيقاته الأخرى: المنتجات المصممة حسب الطلب، والتخصيص الشامل، والوظائف المعقدة، والأجزاء المتكاملة، وتقليل المواد والوزن، وتحسين الأداء.
لتحقيق إمكانات النمو الكاملة، لا بد من معالجة التحديات. ففي معظم تطبيقات التصنيع، يجب أن تكون العملية موثوقة وقابلة للتكرار. وستساعد الطرق اللاحقة لأتمتة إزالة المواد من الأجزاء والدعامات والمعالجة اللاحقة في تحقيق ذلك. كما تساهم الأتمتة في زيادة الإنتاجية وخفض تكلفة الوحدة.
يُعدّ أتمتة عمليات ما بعد التصنيع، كإزالة المساحيق والتشطيب، من أهم المجالات التي تحظى باهتمام كبير. فمن خلال أتمتة عملية الإنتاج الضخم للتطبيقات، يُمكن تكرار التقنية نفسها آلاف المرات. لكن تكمن المشكلة في أن أساليب الأتمتة تختلف باختلاف نوع القطعة وحجمها ومادتها وعملية التصنيع. فعلى سبيل المثال، تختلف معالجة تيجان الأسنان المؤتمتة اختلافًا كبيرًا عن معالجة أجزاء محركات الصواريخ، على الرغم من إمكانية تصنيع كليهما من المعدن.
نظرًا لتحسين تصميم الأجزاء لتقنية التصنيع بالإضافة، غالبًا ما تُضاف إليها ميزات وقنوات داخلية أكثر تطورًا. أما في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام المساحيق (PBF)، فالهدف الرئيسي هو إزالة 100% من المسحوق. تُصنّع شركة سولكون أنظمة إزالة المسحوق الأوتوماتيكية. وقد طوّرت الشركة تقنية تُسمى "استعادة المسحوق الذكية" (SRP) تعمل على تدوير واهتزاز الأجزاء المعدنية المُثبّتة على منصة الطباعة. ويتم التحكم في الدوران والاهتزاز بواسطة نموذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) للجزء. ومن خلال تحريك الأجزاء وهزّها بدقة، يتدفق المسحوق المُجمّع بسلاسة. تُقلّل هذه الأتمتة من العمل اليدوي، وتُحسّن من موثوقية عملية إزالة المسحوق وقابليتها للتكرار.
قد تحدّ مشاكل وقيود إزالة مسحوق المعادن يدويًا من جدوى استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في الإنتاج الضخم، حتى بكميات صغيرة. تعمل أنظمة إزالة مسحوق المعادن من سولكون في بيئة خاملة، وتجمع المسحوق غير المستخدم لإعادة استخدامه في آلات الطباعة ثلاثية الأبعاد. أجرت سولكون استطلاعًا للرأي بين عملائها، ونشرت دراسة في ديسمبر 2021، أظهرت أن أبرز مخاوفهم هي الصحة المهنية وإمكانية تكرار النتائج.
قد تستغرق عملية إزالة المسحوق يدويًا من هياكل راتنج الطباعة ثلاثية الأبعاد وقتًا طويلاً. تعمل شركات مثل DyeMansion وPostProcess Technologies على تطوير أنظمة معالجة لاحقة لإزالة المسحوق تلقائيًا. يمكن تحميل العديد من أجزاء التصنيع الإضافي في نظام يقلب المادة ويقذفها لإزالة المسحوق الزائد. تمتلك HP نظامًا خاصًا بها يُقال إنه يزيل المسحوق من حجرة الطباعة في طابعة Jet Fusion 5200 خلال 20 دقيقة. يخزن النظام المسحوق غير المنصهر في حاوية منفصلة لإعادة استخدامه أو تدويره في تطبيقات أخرى.
يمكن للشركات الاستفادة من الأتمتة إذا أمكن تطبيقها على معظم خطوات المعالجة اللاحقة. تقدم شركة داي مانشن أنظمة لإزالة المساحيق، وتحضير الأسطح، والطلاء. يقوم نظام باور فيوز إس بتحميل القطع، وتبخير القطع الملساء، ثم تفريغها. توفر الشركة رفًا من الفولاذ المقاوم للصدأ لتعليق القطع، ويتم ذلك يدويًا. يستطيع نظام باور فيوز إس إنتاج سطح مشابه لسطح قالب الحقن.
يتمثل التحدي الأكبر الذي يواجه الصناعة في فهم الفرص الحقيقية التي توفرها الأتمتة. فإذا تطلب الأمر تصنيع مليون قطعة بوليمرية، فقد تكون عمليات الصب أو القولبة التقليدية هي الحل الأمثل، مع العلم أن ذلك يعتمد على القطعة. غالبًا ما تكون تقنية التصنيع بالإضافة (AM) متاحة لأول دفعة إنتاجية في تصنيع الأدوات واختبارها. ومن خلال المعالجة اللاحقة المؤتمتة، يمكن إنتاج آلاف القطع بشكل موثوق وقابل للتكرار باستخدام تقنية التصنيع بالإضافة، إلا أنها تعتمد على نوع القطعة وقد تتطلب حلًا مخصصًا.
لا علاقة للتصنيع الإضافي بالصناعة. تقدم العديد من المنظمات نتائج بحث وتطوير مثيرة للاهتمام، قد تُسهم في تحسين أداء المنتجات والخدمات. في قطاع صناعة الطيران، تُنتج شركة "ريلاتيفيتي سبيس" أحد أكبر أنظمة التصنيع الإضافي للمعادن باستخدام تقنية الترسيب المباشر للطاقة (DED) الخاصة بها، والتي تأمل الشركة في استخدامها لتصنيع غالبية صواريخها. يستطيع صاروخها "تيران 1" حمل حمولة تزن 1250 كيلوغرامًا إلى مدار أرضي منخفض. وتخطط "ريلاتيفيتي" لإطلاق صاروخ تجريبي في منتصف عام 2022، كما أنها تُخطط بالفعل لإطلاق صاروخ أكبر قابل لإعادة الاستخدام يُسمى "تيران آر".
تُمثل صواريخ Terran 1 وR من شركة Relativity Space طريقةً مبتكرةً لإعادة تصور شكل رحلات الفضاء المستقبلية. وقد أثار تصميمها وتحسينها للتصنيع الإضافي اهتمامًا كبيرًا بهذا التطوير. وتزعم الشركة أن هذه الطريقة تُقلل عدد الأجزاء بمقدار 100 ضعف مقارنةً بالصواريخ التقليدية. كما تدّعي الشركة قدرتها على إنتاج الصواريخ من المواد الخام في غضون 60 يومًا. وهذا مثالٌ رائعٌ على دمج العديد من الأجزاء في جزءٍ واحدٍ وتبسيط سلسلة التوريد بشكلٍ كبير.
في مجال طب الأسنان، تُستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع التيجان والجسور وقوالب الحفر الجراحية وأطقم الأسنان الجزئية وأجهزة تقويم الأسنان الشفافة. تستخدم شركتا Align Technology وSmileDirectClub الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج أجزاء تُستخدم في تشكيل أجهزة تقويم الأسنان الشفافة بالحرارة. وتستخدم Align Technology، الشركة المصنعة لمنتجات Invisalign، العديد من أنظمة البلمرة الضوئية في أحواض 3D Systems. في عام 2021، صرّحت الشركة بأنها عالجت أكثر من 10 ملايين مريض منذ حصولها على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) عام 1998. إذا كان علاج المريض النموذجي يتكون من 10 أجهزة تقويم، وهو تقدير متحفظ، فإن الشركة تكون قد أنتجت 100 مليون قطعة أو أكثر بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يصعب إعادة تدوير أجزاء البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (FRP) لأنها مواد متصلبة حراريًا. تستخدم SmileDirectClub نظام HP Multi Jet Fusion (MJF) لإنتاج أجزاء بلاستيكية حرارية قابلة لإعادة التدوير لاستخدامات أخرى.
تاريخيًا، لم تتمكن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالبخار (VPP) من إنتاج أجزاء رقيقة وشفافة ذات خصائص قوة مناسبة لاستخدامها في أجهزة تقويم الأسنان. في عام 2021، طرحت شركتا LuxCreo وGraphy حلًا محتملًا. اعتبارًا من فبراير، حصلت Graphy على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) للطباعة ثلاثية الأبعاد المباشرة لأجهزة تقويم الأسنان. عند الطباعة المباشرة، تُعتبر العملية برمتها أقصر وأسهل وأقل تكلفة.
كان استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في مشاريع البناء واسعة النطاق، كالمنازل، من أوائل التطورات التي حظيت باهتمام إعلامي كبير. غالبًا ما تُطبع جدران المنزل بتقنية البثق، بينما تُصنع باقي أجزاء المنزل، بما في ذلك الأرضيات والأسقف والأسطح والسلالم والأبواب والنوافذ والأجهزة والخزائن وأسطح العمل، باستخدام الطرق والمواد التقليدية. قد تزيد الجدران المطبوعة ثلاثية الأبعاد من تكلفة تركيب الكهرباء والإضاءة والسباكة وقنوات التهوية والتكييف. كما أن تشطيب الجدران الخرسانية من الداخل والخارج أكثر صعوبة من تصميم الجدران التقليدية. ويُعدّ تحديث المنزل باستخدام الجدران المطبوعة ثلاثية الأبعاد خيارًا مهمًا أيضًا.
يدرس باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني كيفية تخزين الطاقة في الجدران المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومن خلال إدخال أنابيب في الجدار أثناء عملية البناء، يمكن للماء أن يتدفق عبره لأغراض التدفئة والتبريد. هذا المشروع البحثي والتطويري مثير للاهتمام ومبتكر، ولكنه لا يزال في مرحلة مبكرة من التطوير. هذا المشروع البحثي والتطويري مثير للاهتمام ومبتكر، ولكنه لا يزال في مرحلة مبكرة من التطوير.هذا المشروع البحثي مثير للاهتمام ومبتكر، ولكنه لا يزال في المراحل الأولى من التطوير.هذا المشروع البحثي مثير للاهتمام ومبتكر، ولكنه لا يزال في المراحل الأولى من التطوير.
معظمنا لا يزال غير مُلمّ بجوانب اقتصادية لطباعة أجزاء المباني أو غيرها من الأجسام الكبيرة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وقد استُخدمت هذه التقنية لإنتاج بعض الجسور والمظلات ومقاعد الحدائق والعناصر الزخرفية للمباني والمساحات الخارجية. ويُعتقد أن مزايا التصنيع الإضافي على نطاق صغير (من بضعة سنتيمترات إلى عدة أمتار) تنطبق على الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع. تشمل الفوائد الرئيسية لاستخدام التصنيع الإضافي إمكانية إنشاء أشكال وميزات معقدة، وتقليل عدد الأجزاء، وتقليل المواد والوزن، وزيادة الإنتاجية. إذا لم يُضف التصنيع الإضافي قيمة، فينبغي التشكيك في جدواه.
في أكتوبر 2021، استحوذت ستراتاسيس على الحصة المتبقية البالغة 55% في شركة زار ثري دي، التابعة لشركة زار البريطانية المتخصصة في تصنيع طابعات نفث الحبر الصناعية. وتعتمد تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية البوليمر (PBF) من ستراتاسيس، والتي تُعرف باسم "الاندماج الانتقائي بالامتصاص"، على رؤوس الطباعة النافثة للحبر من زار. وتنافس طابعة ستراتاسيس H350 نظام الطباعة النافثة للحبر من إتش بي (HP MJF).
كان الاستحواذ على شركة Desktop Metal خطوةً مثيرةً للإعجاب. ففي فبراير 2021، استحوذت الشركة على Envisiontec، وهي شركةٌ عريقةٌ في تصنيع أنظمة الطباعة ثلاثية الأبعاد الصناعية. وفي مايو 2021، استحوذت على Adaptive3D، وهي شركةٌ متخصصةٌ في تطوير بوليمرات VPP المرنة. وفي يوليو 2021، استحوذت Desktop Metal على Aerosint، وهي شركةٌ متخصصةٌ في تطوير عمليات إعادة طلاء المساحيق متعددة المواد. أما أكبر عملية استحواذٍ فكانت في أغسطس عندما اشترت Desktop Metal منافستها ExOne مقابل 575 مليون دولار.
يجمع استحواذ شركة Desktop Metal على شركة ExOne بين شركتين مرموقتين في تصنيع أنظمة الترانزستورات ثنائية القطبية المعدنية. عمومًا، لم تصل هذه التقنية بعد إلى المستوى الذي يتوقعه الكثيرون. وتواصل الشركات العمل على معالجة قضايا مثل قابلية التكرار والموثوقية وفهم الأسباب الجذرية للمشاكل عند ظهورها. ومع ذلك، إذا تم حل هذه المشاكل، فلا يزال هناك مجال واسع أمام هذه التقنية للوصول إلى أسواق أكبر. في يوليو 2021، أعلنت شركة 3DEO، وهي شركة خدمات تستخدم نظام طباعة ثلاثية الأبعاد خاص بها، أنها شحنت مليون وحدة إلى عملائها.
شهد مطورو البرمجيات ومنصات الحوسبة السحابية نموًا ملحوظًا في صناعة التصنيع الإضافي. وينطبق هذا بشكل خاص على أنظمة إدارة الأداء (MES) التي تتعقب سلسلة قيمة التصنيع الإضافي. وافقت شركة 3D Systems على الاستحواذ على شركة Oqton في سبتمبر 2021 مقابل 180 مليون دولار. تأسست Oqton عام 2017، وتوفر حلولًا سحابية لتحسين سير العمل ورفع كفاءة التصنيع الإضافي. كما استحوذت شركة Materialize على شركة Link3D في نوفمبر 2021 مقابل 33.5 مليون دولار. وعلى غرار Oqton، تتعقب منصة Link3D السحابية العمل وتبسط سير عمل التصنيع الإضافي.
من أحدث عمليات الاستحواذ في عام 2021 استحواذ ASTM International على شركة Wohlers Associates. ويعمل الطرفان معًا على الاستفادة من علامة Wohlers التجارية لدعم التوسع في استخدام تقنيات التصنيع بالإضافة (AM) عالميًا. ومن خلال مركز التميز التابع لـ ASTM في مجال التصنيع بالإضافة، ستواصل Wohlers Associates إصدار تقارير Wohlers وغيرها من المنشورات، فضلًا عن تقديم الخدمات الاستشارية وتحليلات السوق والتدريب.
لقد نضجت صناعة التصنيع الإضافي، وتستخدم العديد من الصناعات هذه التقنية في نطاق واسع من التطبيقات. لكن الطباعة ثلاثية الأبعاد لن تحل محل معظم أشكال التصنيع الأخرى، بل تُستخدم لابتكار أنواع جديدة من المنتجات ونماذج الأعمال. تستخدم المؤسسات التصنيع الإضافي لتقليل وزن الأجزاء، وتقليص فترات التسليم وتكاليف الأدوات، وتحسين تخصيص المنتجات وأدائها. من المتوقع أن تستمر صناعة التصنيع الإضافي في مسار نموها مع ظهور شركات ومنتجات وخدمات وتطبيقات وحالات استخدام جديدة، غالبًا بوتيرة متسارعة.