استمر التصنيع الإضافي، المعروف أيضًا بالطباعة ثلاثية الأبعاد، في التطور لما يقرب من 35 عامًا منذ استخدامه التجاري. تستخدم صناعات الطيران، والسيارات، والدفاع، والطاقة، والنقل، والطب، وطب الأسنان، والقطاع الاستهلاكي التصنيع الإضافي في مجموعة واسعة من التطبيقات.
مع هذا الانتشار الواسع، يتضح أن التصنيع الإضافي ليس حلاً شاملاً. ووفقًا لمعيار المصطلحات ISO/ASTM 52900، تندرج جميع أنظمة التصنيع الإضافي التجارية تقريبًا ضمن إحدى فئات العمليات السبع. وتشمل هذه الفئات: بثق المواد (MEX)، والبلمرة الضوئية بالحمام (VPP)، ودمج فراش المسحوق (PBF)، ورش المادة الرابطة (BJT)، ورش المواد (MJT)، وترسيب الطاقة الموجهة (DED)، وتصفيح الصفائح (SHL). وتُصنف هذه الفئات هنا حسب شعبيتها بناءً على مبيعات الوحدات.
يتزايد عدد المتخصصين في هذا المجال، بمن فيهم المهندسون والمدراء، الذين يتعلمون متى يُمكن للتصنيع الإضافي أن يُساعد في تحسين المنتج أو العملية، ومتى لا يُمكنه ذلك. تاريخيًا، انطلقت المبادرات الرئيسية لتطبيق التصنيع الإضافي من مهندسين ذوي خبرة في هذه التقنية. وتشهد الإدارة المزيد من الأمثلة على كيفية مساهمة التصنيع الإضافي في تحسين الإنتاجية، وتقليل فترات التسليم، وخلق فرص عمل جديدة. لن يحل التصنيع الإضافي محل معظم أشكال التصنيع التقليدية، ولكنه سيصبح جزءًا من ترسانة رواد الأعمال في تطوير المنتجات وقدرات التصنيع.
للتصنيع الإضافي تطبيقات واسعة، بدءًا من الموائع الدقيقة ووصولًا إلى الإنشاءات واسعة النطاق. وتختلف فوائد التصنيع الإضافي باختلاف الصناعة والتطبيق والأداء المطلوب. يجب أن تكون لدى المؤسسات أسباب وجيهة لتطبيق التصنيع الإضافي، بغض النظر عن حالة الاستخدام. ومن أكثرها شيوعًا النمذجة المفاهيمية، والتحقق من التصميم، والتحقق من الملاءمة والوظائف. ويتزايد استخدام الشركات له لإنشاء أدوات وتطبيقات للإنتاج الضخم، بما في ذلك تطوير المنتجات المخصصة.
في تطبيقات الفضاء الجوي، يُعدّ الوزن عاملاً أساسياً. تبلغ تكلفة وضع حمولة وزنها 0.45 كجم في مدار الأرض حوالي 10,000 دولار أمريكي، وفقاً لمركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا. ويمكن أن يُوفّر تقليل وزن الأقمار الصناعية تكاليف الإطلاق. تُظهر الصورة المرفقة قطعة معدنية من طراز Swissto12 مُصمّمة بتقنية AM، تجمع بين عدة موجهات موجية في قطعة واحدة. مع تقنية AM، ينخفض ​​الوزن إلى أقل من 0.08 كجم.
يُستخدم التصنيع الإضافي في جميع مراحل سلسلة القيمة في قطاع الطاقة. بالنسبة لبعض الشركات، تتمثل جدوى استخدام التصنيع الإضافي في تكرار المشاريع بسرعة لإنتاج أفضل منتج ممكن في أقصر وقت ممكن. في قطاع النفط والغاز، قد تُكلّف الأجزاء أو التجميعات التالفة آلاف الدولارات أو أكثر من حيث الإنتاجية المفقودة في الساعة. يُعدّ استخدام التصنيع الإضافي لاستعادة العمليات خيارًا جذابًا للغاية.
أصدرت شركة MX3D، وهي شركة رائدة في تصنيع أنظمة اللحام بالتآكل (DED)، نموذجًا أوليًا لأداة إصلاح الأنابيب. ووفقًا للشركة، تتراوح تكلفة إصلاح الأنابيب التالفة بين 100,000 و1,000,000 يورو (113,157 و1,131,570 دولارًا أمريكيًا) يوميًا. يستخدم الجهاز الموضح في الصفحة التالية قطعة CNC كإطار، ويستخدم اللحام بالتآكل بالتآكل (DED) للحام محيط الأنبوب. يوفر اللحام بالتآكل الإضافي معدلات ترسيب عالية مع الحد الأدنى من الهدر، بينما يوفر اللحام بالتآكل بالتآكل بالتآكل الدقة المطلوبة.
في عام ٢٠٢١، تم تركيب غلاف مائي مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد على منصة نفط تابعة لشركة توتال إنرجيز في بحر الشمال. تُعد أغلفة المياه عنصرًا أساسيًا يُستخدم للتحكم في استخلاص الهيدروكربونات في الآبار قيد الإنشاء. في هذه الحالة، تتمثل فوائد استخدام التصنيع الإضافي في تقليل فترات التنفيذ وتقليل الانبعاثات بنسبة ٤٥٪ مقارنةً بأغلفة المياه التقليدية المُشكَّلة.
من مزايا التصنيع الإضافي تقليل تكلفة الأدوات. طورت شركة Phone Scope محولات رقمية للأجهزة التي تربط كاميرا هاتفك بالتلسكوب أو المجهر. تُطرح هواتف جديدة كل عام، مما يتطلب من الشركات إصدار سلسلة جديدة من المحولات. باستخدام التصنيع الإضافي، يمكن للشركة توفير المال على الأدوات باهظة الثمن التي تحتاج إلى استبدال عند إصدار هواتف جديدة.
كما هو الحال مع أي عملية أو تقنية، لا ينبغي استخدام التصنيع الإضافي لاعتباره جديدًا أو مختلفًا. الهدف من ذلك تحسين تطوير المنتجات و/أو عمليات التصنيع، إذ ينبغي أن يضيف قيمة. ومن أمثلة حالات العمل الأخرى: المنتجات المخصصة والتخصيص الشامل، والوظائف المعقدة، والأجزاء المتكاملة، والمواد والوزن الأقل، والأداء المحسّن.
لكي يحقق التصنيع الإضافي إمكانات نموه، لا بد من مواجهة التحديات. في معظم تطبيقات التصنيع، يجب أن تكون العملية موثوقة وقابلة للتكرار. وستساعد الطرق اللاحقة لأتمتة إزالة مواد الأجزاء والدعامات والمعالجة اللاحقة في تحقيق ذلك. كما تزيد الأتمتة من الإنتاجية وتُخفض تكلفة كل قطعة.
من أهم المجالات أتمتة عمليات ما بعد المعالجة، مثل إزالة المساحيق والتشطيب. فمن خلال أتمتة عملية الإنتاج الضخم للتطبيقات، يمكن تكرار نفس التقنية آلاف المرات. تكمن المشكلة في أن أساليب الأتمتة تختلف باختلاف نوع القطعة وحجمها ومادتها وعملية التصنيع. على سبيل المثال، تختلف عملية ما بعد المعالجة لتيجان الأسنان الآلية اختلافًا كبيرًا عن معالجة أجزاء محركات الصواريخ، مع أن كليهما يمكن أن يكون مصنوعًا من المعدن.
نظرًا لأن القطع مُحسّنة للتصنيع الإضافي، غالبًا ما تُضاف ميزات وقنوات داخلية أكثر تطورًا. بالنسبة لتقنية PBF، يتمثل الهدف الرئيسي في إزالة المسحوق بنسبة 100%. تُصنّع شركة Solukon أنظمة إزالة المسحوق تلقائيًا. وقد طورت الشركة تقنية تُسمى "الاستعادة الذكية للمسحوق" (SRP) تُدير وتهتز القطع المعدنية التي لا تزال مُثبتة على لوحة البناء. يتم التحكم في الدوران والاهتزاز بواسطة نموذج CAD الخاص بالقطعة. من خلال تحريك القطع ورجّها بدقة، يتدفق المسحوق المُلتقط بسلاسة. تُقلل هذه الأتمتة من العمل اليدوي، وتُحسّن موثوقية وإمكانية تكرار عملية إزالة المسحوق.
قد تُحدّ مشاكل وقيود إزالة المسحوق يدويًا من جدوى استخدام التصنيع الإضافي في الإنتاج الضخم، حتى بكميات صغيرة. تعمل أنظمة إزالة مسحوق المعادن من Solukon في جوّ خامل، وتجمع المسحوق غير المُستخدم لإعادة استخدامه في آلات التصنيع الإضافي. أجرت Solukon استطلاعًا للعملاء ونشرت دراسة في ديسمبر 2021 تُظهر أن أكبر مصدرَي قلق هما الصحة المهنية وإمكانية إعادة الإنتاج.
قد تستغرق عملية إزالة المسحوق يدويًا من هياكل راتنج PBF وقتًا طويلاً. تُطوّر شركات مثل DyeMansion وPostProcess Technologies أنظمة معالجة لاحقة لإزالة المسحوق تلقائيًا. يمكن تحميل العديد من أجزاء التصنيع الإضافي في نظام يُقلب الوسط ويطرده لإزالة المسحوق الزائد. لدى HP نظامها الخاص الذي يُقال إنه يزيل المسحوق من حجرة بناء Jet Fusion 5200 في 20 دقيقة. يُخزّن النظام المسحوق غير المُذاب في حاوية منفصلة لإعادة استخدامه أو إعادة تدويره لتطبيقات أخرى.
يمكن للشركات الاستفادة من الأتمتة إذا أمكن تطبيقها في معظم مراحل ما بعد المعالجة. تقدم شركة DyeMansion أنظمة لإزالة المساحيق، وتجهيز الأسطح، والطلاء. يقوم نظام PowerFuse S بتحميل القطع، وتبخير الأجزاء الملساء، ثم تفريغها. كما توفر الشركة رفًا من الفولاذ المقاوم للصدأ لتعليق القطع، ويتم ذلك يدويًا. يمكن لنظام PowerFuse S إنتاج سطح مشابه لقالب الحقن.
التحدي الأكبر الذي يواجه هذه الصناعة هو فهم الفرص الحقيقية التي توفرها الأتمتة. إذا كانت هناك حاجة لتصنيع مليون قطعة بوليمر، فقد تكون عمليات الصب أو القولبة التقليدية هي الحل الأمثل، مع أن ذلك يعتمد على نوع القطعة. غالبًا ما تكون عملية التصنيع الإضافي متاحةً لأول جولة إنتاج في إنتاج الأدوات واختبارها. من خلال المعالجة اللاحقة الآلية، يمكن إنتاج آلاف القطع بشكل موثوق وقابل للتكرار باستخدام التصنيع الإضافي، إلا أنه يعتمد على كل قطعة على حدة وقد يتطلب حلاً مخصصًا.
لا علاقة للتصنيع الإضافي بالصناعة. تُقدّم العديد من المؤسسات نتائج بحث وتطوير مثيرة للاهتمام تُمكّن من تحسين أداء المنتجات والخدمات. في قطاع الفضاء، تُنتج شركة Relativity Space أحد أكبر أنظمة التصنيع الإضافي للمعادن باستخدام تقنية DED الخاصة بها، والتي تأمل الشركة استخدامها في تصنيع معظم صواريخها. يستطيع صاروخ Terran 1 الخاص بها نقل حمولة وزنها 1250 كجم إلى مدار أرضي منخفض. تُخطط Relativity لإطلاق صاروخ تجريبي في منتصف عام 2022، وتُخطط بالفعل لإطلاق صاروخ أكبر قابل لإعادة الاستخدام يُسمى Terran R.
يُعد صاروخا Terran 1 وR من شركة Relativity Space طريقةً مبتكرةً لإعادة تصور شكل رحلات الفضاء المستقبلية. وقد أثار تصميم وتحسين التصنيع الإضافي اهتمامًا بهذا التطور. وتزعم الشركة أن هذه الطريقة تُقلل عدد الأجزاء بمقدار 100 مرة مقارنةً بالصواريخ التقليدية. كما تزعم الشركة أنها تستطيع إنتاج الصواريخ من المواد الخام في غضون 60 يومًا. وهذا مثالٌ رائعٌ على دمج العديد من الأجزاء في قطعة واحدة، مما يُبسط سلسلة التوريد بشكل كبير.
في صناعة طب الأسنان، يُستخدم التصنيع الإضافي في صناعة التيجان والجسور وقوالب الحفر الجراحية وأطقم الأسنان الجزئية وأجهزة التقويم. تستخدم شركتا Align Technology وSmileDirectClub الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج قطع غيار أجهزة التقويم البلاستيكية الشفافة بالحرارة. تستخدم Align Technology، الشركة المصنعة لمنتجات Invisalign، العديد من أنظمة البلمرة الضوئية في أحواض أنظمة 3D. في عام 2021، أعلنت الشركة أنها عالجت أكثر من 10 ملايين مريض منذ حصولها على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية عام 1998. إذا كان علاج المريض النموذجي يتكون من 10 أجهزة تقويم، وهو تقدير منخفض، فإن الشركة تكون قد أنتجت 100 مليون قطعة أو أكثر من قطع التصنيع الإضافي. يصعب إعادة تدوير قطع FRP لأنها صلبة بالحرارة. تستخدم SmileDirectClub نظام HP Multi Jet Fusion (MJF) لإنتاج قطع بلاستيكية حرارية يمكن إعادة تدويرها لتطبيقات أخرى.
تاريخيًا، لم تتمكن شركة VPP من إنتاج قطع رقيقة وشفافة ذات متانة عالية لاستخدامها كأجهزة تقويم أسنان. في عام ٢٠٢١، طرحت شركتا LuxCreo وGraphy حلاً محتملاً. واعتبارًا من فبراير، حصلت Graphy على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) للطباعة ثلاثية الأبعاد المباشرة لأجهزة الأسنان. تُعتبر الطباعة المباشرة عمليةً شاملةً أقصر وأسهل، وربما أقل تكلفة.
من التطورات المبكرة التي حظيت باهتمام إعلامي واسع استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في تطبيقات البناء واسعة النطاق، مثل المساكن. غالبًا ما تُطبع جدران المنزل بالبثق. أما باقي أجزاء المنزل، فقد صُنعت باستخدام الطرق والمواد التقليدية، بما في ذلك الأرضيات والأسقف والسلالم والأبواب والنوافذ والأجهزة المنزلية والخزائن وأسطح العمل. قد تزيد الجدران المطبوعة ثلاثية الأبعاد من تكلفة تركيب الكهرباء والإضاءة والسباكة وقنوات التهوية وفتحات التدفئة وتكييف الهواء. يُعد تشطيب الجدران الخرسانية من الداخل والخارج أكثر صعوبة من تصميم الجدران التقليدية. كما يُعد تحديث المنزل باستخدام الجدران المطبوعة ثلاثية الأبعاد أمرًا مهمًا.
يدرس باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني كيفية تخزين الطاقة في جدران مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. فبإدخال أنابيب في الجدار أثناء البناء، يتدفق الماء عبره للتدفئة والتبريد. يعد هذا المشروع البحثي والتطويري مثيرًا للاهتمام ومبتكرًا، لكنه لا يزال في مرحلة مبكرة من التطوير. يعد هذا المشروع البحثي والتطويري مثيرًا للاهتمام ومبتكرًا، لكنه لا يزال في مرحلة مبكرة من التطوير.يعد هذا المشروع البحثي مثيرًا للاهتمام ومبتكرًا، لكنه لا يزال في المراحل الأولى من التطوير.يعد هذا المشروع البحثي مثيرًا للاهتمام ومبتكرًا، لكنه لا يزال في المراحل الأولى من التطوير.
معظمنا لا يزال يجهل اقتصاديات الطباعة ثلاثية الأبعاد لأجزاء المباني أو غيرها من الأشياء الكبيرة. استُخدمت هذه التقنية لإنتاج بعض الجسور والمظلات ومقاعد الحدائق والعناصر الزخرفية للمباني والبيئة الخارجية. يُعتقد أن مزايا التصنيع الإضافي على نطاقات صغيرة (من بضعة سنتيمترات إلى عدة أمتار) تنطبق على الطباعة ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق. تشمل الفوائد الرئيسية لاستخدام التصنيع الإضافي إنشاء أشكال وخصائص معقدة، وتقليل عدد الأجزاء، وتقليل المواد والوزن، وزيادة الإنتاجية. إذا لم يُضف التصنيع الإضافي قيمة، فيجب التشكيك في فائدته.
في أكتوبر 2021، استحوذت شركة ستراتاسيس على حصة 55% المتبقية في شركة Xaar 3D، وهي شركة تابعة لشركة Xaar البريطانية لتصنيع طابعات نفث الحبر الصناعية. تعتمد تقنية PBF البوليمرية من ستراتاسيس، والمعروفة باسم "انصهار الامتصاص الانتقائي"، على رؤوس طباعة Xaar النافثة للحبر. تتنافس آلة ستراتاسيس H350 مع نظام HP MJF.
كان شراء شركة Desktop Metal إنجازًا رائعًا. في فبراير 2021، استحوذت الشركة على شركة Envisiontec، وهي شركة عريقة في تصنيع أنظمة التصنيع الإضافي الصناعي. وفي مايو 2021، استحوذت على شركة Adaptive3D، وهي شركة مطورة لبوليمرات VPP المرنة. وفي يوليو 2021، استحوذت Desktop Metal على شركة Aerosint، وهي شركة مطورة لعمليات إعادة طلاء مسحوق متعدد المواد. وجاء أكبر استحواذ في أغسطس عندما اشترت Desktop Metal منافستها ExOne مقابل 575 مليون دولار.
يجمع استحواذ شركة Desktop Metal على شركة ExOne شركتين رائدتين في تصنيع أنظمة BJT المعدنية. بشكل عام، لم تصل هذه التقنية بعد إلى المستوى الذي يتوقعه الكثيرون. تواصل الشركات معالجة قضايا مثل قابلية التكرار والموثوقية وفهم الأسباب الجذرية للمشاكل فور ظهورها. ومع ذلك، إذا تم حل هذه المشاكل، فلا يزال هناك مجال لوصول هذه التقنية إلى أسواق أكبر. في يوليو 2021، أعلنت شركة 3DEO، وهي شركة تقدم خدمات تستخدم نظام طباعة ثلاثية الأبعاد خاصًا بها، أنها شحنت مليون وحدة إلى عملائها.
شهد مطورو البرمجيات والمنصات السحابية نموًا ملحوظًا في قطاع التصنيع الإضافي. وينطبق هذا بشكل خاص على أنظمة إدارة الأداء (MES) التي تتبع سلسلة قيمة التصنيع الإضافي. وافقت شركة 3D Systems على الاستحواذ على شركة Oqton في سبتمبر 2021 مقابل 180 مليون دولار. تأسست Oqton عام 2017، وتقدم حلولًا سحابية لتحسين سير العمل وكفاءة التصنيع الإضافي. استحوذت شركة Materialize على شركة Link3D في نوفمبر 2021 مقابل 33.5 مليون دولار. ومثل Oqton، تتبع منصة Link3D السحابية العمل وتُبسط سير عمل التصنيع الإضافي.
من أحدث عمليات الاستحواذ في عام ٢٠٢١ استحواذ ASTM International على شركة Wohlers Associates. ويعمل الطرفان معًا على الاستفادة من علامة Wohlers التجارية لدعم انتشار التصنيع الإضافي عالميًا. ومن خلال مركز ASTM للتميز في التصنيع الإضافي، ستواصل Wohlers Associates إصدار تقارير Wohlers ومنشوراتها الأخرى، بالإضافة إلى تقديم الخدمات الاستشارية وتحليلات السوق والتدريب.
لقد نضجت صناعة التصنيع الإضافي، وتستخدم العديد من الصناعات هذه التقنية في مجموعة واسعة من التطبيقات. لكن الطباعة ثلاثية الأبعاد لن تحل محل معظم أشكال التصنيع الأخرى، بل تُستخدم لإنشاء أنواع جديدة من المنتجات ونماذج الأعمال. تستخدم المؤسسات التصنيع الإضافي لتقليل وزن القطع، وتقليل فترات التسليم وتكاليف الأدوات، وتحسين تخصيص المنتجات وأدائها. ومن المتوقع أن يواصل قطاع التصنيع الإضافي نموه مع ظهور شركات ومنتجات وخدمات وتطبيقات وحالات استخدام جديدة، غالبًا بسرعة فائقة.