مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد: أنواعها وخصائصها وكيفية اختيار الأنسب منها

مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد

يُحدد الغرض من تصميم القطعة أفضل مادة للطباعة ثلاثية الأبعاد. يُعدّ كل من PLA وABS مناسبين للنماذج الأولية. أما النايلون بتقنية SLS والراتنجات الهندسية فتُستخدم للأجزاء الوظيفية. وتُستخدم الطباعة المعدنية للتطبيقات الصناعية عالية الأداء. اختر العملية المناسبة بعد مقارنة المادة بمتطلبات الأداء.

يُعدّ فهم المواد ثلاثية الأبعاد أمرًا بالغ الأهمية، لا سيما مع تطور الأجزاء من مجرد نماذج مفاهيمية إلى استخدامات وظيفية. يبدو النموذج الأولي المصنوع من مادة PLA جيدًا على المكتب، ولكنه يتشقق ويلين عند تسخينه. من المهم معرفة أيّ المواد يمكنها تلبية متطلبات معينة.

تقدم شركة Boda مجموعة كاملة خدمة الطباعة ثلاثية الأبعادبدءًا من اختيار المواد وحتى الإنتاج النهائي حسب الطلب الطباعة 3D المشاريع. سواء كنت تختار البلاستيك لنموذج أولي أو المعادن للمكونات الوظيفية، فإن فريقنا يساعدك في اختيار المادة والعملية المناسبة لتطبيقك.

 

ما هي المواد التي يمكن استخدامها في الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

تنقسم المواد المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد عمومًا إلى فئتين رئيسيتين: بلاستيك طباعة ثلاثية الأبعاد و طباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن.

المواد المتصلبة بالحرارة مقابل المواد البلاستيكية الحرارية: الفرق الأساسي

يُعد فهم النوعين الرئيسيين من البلاستيك المستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد أمرًا مهمًا قبل مقارنة المواد.

البلاستيكية الحرارية:

• يمكن صهره وإعادة تجميده عدة مرات. يُستخدم في الطباعة بتقنية FDM وSLS. ومن أمثلته PLA وABS وPETG والنايلون وTPU.
• تستخدم صناعة السيارات أجزاء من النايلون الحراري البلاستيكي للمشابك والأقواس لأن المادة يمكن إعادة صهرها إذا لزم إجراء تغييرات في التصميم.
• يفضل استخدامه في الإنتاج الذي يركز على إعادة التدوير حيث يمكن إعادة معالجة المواد الخردة.

الترمس:

• تُعالج هذه المواد بشكل دائم بواسطة الأشعة فوق البنفسجية أو الحرارة، ولا يمكن إعادة صهرها. راتنجات SLA هي مواد متصلبة حرارياً. تُنتج أجزاءً ناعمة ومتجانسة الخواص ذات قوة ثابتة في جميع الاتجاهات.
• تستخدم مختبرات طب الأسنان راتنجات SLA المتصلبة حرارياً في صناعة الأدلة الجراحية لأن الصلابة الدائمة والاستقرار الأبعاد أمران بالغا الأهمية.
• أفضل من المواد البلاستيكية الحرارية، حيث لا يمكن التنازل عن مقاومة الحرارة وجودة السطح، مثل نماذج صب المجوهرات.

المواد الناشئة:

إليكم بعض مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الناشئة

• تتزايد استخدامات المواد البلاستيكية الحرارية القابلة للتحلل الحيوي، مثل مزيج PLA النباتي، في التعبئة والتغليف والسلع الاستهلاكية.
• يجمع النايلون المقوى بألياف الكربون بين قابلية إعادة التدوير وصلابة تقارب صلابة المعادن، ويستخدم في صناعة الطيران والفضاء والروبوتات.
• يجري تطوير راتنجات حرارية مملوءة بالسيراميك لتطبيقات صناعية تتطلب درجات حرارة عالية للغاية.

مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد FDM

خيوط الطباعة بتقنية FDM 

تقوم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الترسيب المنصهر (FDM) بصهر اللدائن الحرارية وترسيبها على شكل طبقات. تُعد هذه التقنية الطريقة الأقل تكلفة والأكثر سهولة في الاستخدام، وهي مناسبة تمامًا للأجزاء الوظيفية البسيطة والنماذج الأولية الأساسية.

ABS مقابل PLA

هذه هي المقارنة الأكثر شيوعًا عند اختيار مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الترسيب المنصهر (FDM).

جيش التحرير الشعبى الصينى يُعدّ هذا النوع من المواد من أسهل المواد للطباعة بتقنية FDM. فهو قابل للتحلل الحيوي وعديم الرائحة، ما يجعله مثاليًا للنماذج الأولية المرئية والتصاميم المفاهيمية. أما نقاط ضعفه فتكمن في مقاومته المنخفضة للحرارة (إذ يلين عند حوالي 60 درجة مئوية) وهشاشته عند تعرضه للصدمات.

يُعدّ هذا النوع من البلاستيك مثاليًا للنماذج الأولية المرئية ونماذج المفاهيم. اختر PLA للنماذج الأولية المكتبية حيث لا تكون مقاومة الحرارة مطلوبة.

عضلات المعده يتحمل درجات حرارة تصل إلى 100 درجة مئوية. وهو مثالي للنماذج الأولية الوظيفية التي تتعرض لإجهاد ميكانيكي. ويمثل هذا حلاً وسطاً بين الحاجة إلى قاعدة طباعة ساخنة وضمان التهوية المناسبة.

يُعدّ ABS الخيار الأمثل للنماذج الأولية الوظيفية التي تتعرض لإجهاد ميكانيكي. اختر ABS عندما يجب أن يتحمل الجزء درجات حرارة تصل إلى 100 درجة مئوية.

لا يُعدّ كلٌّ من ABS وPLA الخيار الأمثل لإنتاج الأجزاء. فكلٌّ من الراتنجات الهندسية وألياف النايلون بتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) تتفوق عليها من حيث الأداء الميكانيكي.

مواد FDM رئيسية إضافية

الخامة	خصائص المفتاح	أفضل ل
PETG	خيارات آمنة للاستخدام مع الطعام، ومقاومة للمواد الكيميائية والرطوبة	أجزاء قابلة للتركيب بالضغط ومقاومة للماء
نايلون	مقاوم للحرارة، قوي، مرن	مكونات وظيفية مقاومة للتآكل
TPU	مرنة، وامتصاص الصدمات	نماذج أولية مرنة، تخميد الاهتزازات
المركبة	ألياف كربونية شديدة الصلابة معززة بالزجاج	تُعتبر القوالب والتجهيزات أجزاءً هيكلية

يُعدّ التباين الاتجاهي أحد أبرز عيوب تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الترسيب المنصهر (FDM). إذ يُؤدي تماسك الطبقات إلى ضعف اتجاهي. لذا، يُعدّ اتجاه الطباعة بالغ الأهمية إذا كان الجزء سيتعرض لأحمال اتجاهية.

مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية SLA

مادة الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية SLA 

تُعدّ تقنية الطباعة المجسمة الضوئية (SLA) عملية تستخدم الليزر لتصليد الراتنج السائل. تُنتج هذه العملية سطحًا نهائيًا عالي الجودة، بأدقّ التفاوتات وأعلى دقة مقارنةً بأي طريقة طباعة بلاستيكية أخرى. وتجعل الروابط الكيميائية بين الطبقات الأجزاء متجانسة الخواص.

فئات راتنج SLA

اتفاقية مستوى الخدمة (SLA) هي أداة شائعة الاستخدام مواد الطباعة 3D، ولها أنواع مختلفة بناءً على استخدامها: 

• الراتنجات متعددة الأغراض: مناسبة لنماذج المفاهيم والنماذج الأولية المرئية بفضل سطحها الأملس غير اللامع.
• الهندسة راتنجاتصُممت هذه المواد لمحاكاة خصائص راتنجات ABS وHDPE. تتميز هذه الراتنجات بقدرتها على تحمل الضغط والانحناء والصدمات. وتُعدّ الهياكل والأغلفة والموصلات خيارات قياسية.
• الراتنجات الصلبةمصنوعة من الزجاج أو السيراميك لتحقيق أقصى قدر من الصلابة. تستخدم في القوالب والتركيبات بالإضافة إلى المكونات ذات درجات الحرارة العالية لتدفق الهواء.
• موعد تقديم مرن و مرن الراتنجات: تحاكي هذه الراتنجات خصائص السيليكون أو المطاط، ويمكن ثنيها بشكل متكرر دون أن تتمزق. وهي مثالية لتصنيع نماذج أولية للأجهزة الطبية.
• مرتفع-درجة الحرارة راتنجاتتحافظ على شكلها عند تسخينها. تُستخدم في القوالب والحشوات وكذلك الأجزاء المعرضة للحرارة.
• Biocompatibl ل راتنجاتمصمم للاستخدامات الطبية وطب الأسنان حيث تكون سلامة المواد مطلوبة.

تتميز تقنية الطباعة المجسمة الضوئية (SLA) بأكبر تشكيلة من المواد مقارنةً بأي طريقة أخرى للطباعة البلاستيكية. ويرتبط اختيار الراتنج ارتباطًا مباشرًا بـ تُراعي هذه التقنية المتطلبات الميكانيكية والديناميكية الحرارية للتطبيق. وهي الأنسب لنماذج المفاهيم، والنماذج الأولية المرئية، والهياكل، والأغلفة، والأجزاء الميكانيكية.

مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد SLS

مواد SLS 

تستخدم تقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLS) مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك اللدائن الحرارية والنايلون ومساحيق المعادن وغيرها. ولا تتطلب هذه التقنية هياكل داعمة لأن المسحوق غير المنصهر يدعم القطعة أثناء الطباعة. مرونة تصميم لا مثيل لها للأشكال الهندسية المعقدة. المادة القياسية المستخدمة في تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) هي النايلون 12. تتميز هذه المادة بمقاومتها للصدمات، وقوتها، وثباتها في مواجهة الرطوبة والأشعة فوق البنفسجية والمواد الكيميائية. وهي خيار ممتاز لكل من النماذج الأولية الوظيفية ومكونات الإنتاج النهائية.

يتميز النايلون 11 بصلابة أكبر من النايلون 12، ولكنه يتمتع بمرونة أعلى. وهو مناسب للتطبيقات التي تكون فيها المتانة أهم من الصلابة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب صلابة هيكلية، تتوفر مركبات النايلون المدعمة بألياف زجاجية أو كربونية. أما مادة البولي يوريثين الحراري (TPU) المستخدمة في تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) فتُنتج مكونات مرنة تشبه المطاط تتميز بثبات ممتاز ضد الأشعة فوق البنفسجية وقدرة عالية على امتصاص الصدمات. تتشابه الخصائص الميكانيكية لأجزاء تقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) مع تلك الخاصة بالمكونات المصنعة بالحقن. ويمكن تحسين جودة السطح من خلال عمليات المعالجة اللاحقة، مثل الصقل والتلميع.

مادة الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية

معدن للطباعة ثلاثية الأبعاد

تُستخدم الطباعة المعدنية بشكل أساسي في صناعات الطيران والفضاء والسيارات والطب. تعمل عمليات الطباعة الانتقائية بالليزر المباشر (DMLS) والطباعة الانتقائية بالليزر (SLM) على دمج مسحوق المعدن طبقة تلو الأخرى، مما ينتج عنه أجزاء قوية يصعب تكرارها باستخدام عمليات التشغيل التقليدية.

تشمل المعادن الشائعة المستخدمة في خيارات الطباعة ثلاثية الأبعاد ما يلي:

• يُستخدم التيتانيوم في صناعة مكونات خفيفة الوزن وقوية ومقاومة للحرارة في صناعة الطيران والفضاء وأجزاء الزرع الطبية
• يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ في المكونات الصناعية المقاومة للتآكل وعالية القوة
• أجزاء هيكلية خفيفة الوزن من الألومنيوم ومكونات إدارة حرارية
• تُستخدم سبائك النيكل في مكونات التوربينات والمحركات ذات درجات الحرارة العالية
• فولاذ الأدوات المستخدم في القوالب، بالإضافة إلى الأدوات عالية التآكل

تُعدّ الطباعة على المعادن أغلى من الطباعة على البلاستيك. إذا كنت بحاجة إلى خصائص شبيهة بالمعادن بسعر أقل، ففكّر في الطلاء الكهربائي أو صبّ الأجزاء البلاستيكية باستخدام نماذج الطباعة المجسمة الضوئية (SLA).

 

كيفية اختيار أفضل مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

فيما يلي بعض الخطوات الأساسية التي يجب اتباعها لاختيار مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد المناسبة. 

الخطوة الأولى: تحديد مستوى أدائك

أداء منخفض

• لا توجد متطلبات ميكانيكية، فقط نماذج بصرية أو اختبارات ملاءمة.
• المواد المناسبة: راتنجات PLA أو راتنجات SLA العامة
• مثال توضيحي: يقوم مصمم بطباعة نموذج أولي لغطاء هاتف للتحقق من شكله وملاءمته لليد. لا يتطلب الأمر قوة كبيرة، لذا يكفي استخدام راتنج الطباعة ثلاثية الأبعاد الأساسي.

أداء متواضع

• نماذج أولية وظيفية يجب أن تتصرف مثل أجزاء الإنتاج الحقيقية
• المواد المناسبة: ABS، راتنجات SLA الهندسية، أو نايلون SLS
• مثال على حالة الاستخدام: يقوم مهندس بطباعة نموذج أولي لهيكل صمام سيتم اختباره تحت ضغط خفيف للتأكد من ملاءمة التجميع والوظيفة الأساسية قبل بدء الإنتاج الضخم.

عالية الأداء

• الأجزاء التي تتعرض للتآكل طويل الأمد، أو الحرارة، أو التعرض للمواد الكيميائية، أو التحميل الدوري
• المواد المناسبة: مركبات النايلون بتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) أو راتنجات الهندسة بتقنية التصليد الضوئي المجسم (SLA).
• مثال على حالة الاستخدام: يقوم أحد المصنعين بطباعة دعامة لمكون سيارة موجود أسفل غطاء المحرك، والذي يجب أن يتحمل دورات الحرارة والاهتزازات والاتصال العرضي بسوائل المحرك.

الخطوة الثانية: مطابقة خصائص المواد المحددة

بمجرد تحديد مستوى الأداء المطلوب، اختر المواد المناسبة للجزء.

• مقاومة الصدمات: ABS بتقنية FDM أو النايلون، راتنجات متينة بتقنية SLA أو النايلون 11 أو 12.
• المرونة: يمكن استخدام مادة TPU مع تقنيات FDM أو SLA أو SLS
• مقاومة الحرارة: راتنجات SLA عالية الحرارة أو الصلبة. نايلون 12 لتقنية SLS
• مقاومة المواد الكيميائية: PETG لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية FDM، وراتنجات صلبة لتقنية الطباعة المجسمة الضوئية (SLA)، ونايلون لتقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLS).
• الصلابة: راتنجات SLA الصلبة، ومركبات النايلون SLS، ومركبات ألياف الكربون FDM

الخطوة 3: النظر في المفاضلات المتعلقة بالعملية

المادة والعملية مترابطتان. تُعدّ تقنية الطباعة المجسمة الضوئية (SLA) عمليةً تُتيح تحقيق دقة عالية، وأسطح ناعمة، واستخدام مجموعة واسعة من المواد. أما تقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLS) فهي العملية المُفضّلة إذا كانت الهندسة الداخلية أكثر أهمية. ويُعدّ النايلون عائلة المواد الرئيسية المستخدمة.

أخطاء اختيار المواد 

اختر المادة أولاً، ثم حدد التطبيق. تُعطى الأولوية لمتطلبات الأداء. وتأتي المادة بعد ذلك تبعاً لما يجب أن يقوم به الجزء.

• تجاهل التباين الاتجاهي عند تصميم أجزاء الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الترسيب المنصهر (FDM). تُسبب خطوط طبقات الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الترسيب المنصهر ضعفًا اتجاهيًا. قبل الإنتاج، يجب توجيه أجزاء الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الترسيب المنصهر التي تحمل أحمالًا.
• خطأ في تقدير درجة حرارة التشغيل. يلين حمض البولي لاكتيك (PLA) عند تسخينه إلى درجات حرارة تتجاوز تلك الموجودة عادةً في السيارات، والبيئات الصناعية، وغيرها من التطبيقات. لذا، تحقق دائمًا من درجة حرارة الانحراف الحراري مقارنةً بظروف التشغيل الفعلية.
• عندما يكون الصب كافياً، يُنصح باختيار الطباعة المعدنية. يمكن لنماذج الصب الاستثماري بتقنية SLA إنتاج أجزاء معدنية بتكلفة أقل وبسرعة أكبر للعديد من التطبيقات.

خاتمة 

يُعدّ اختيار المادة المناسبة أهمّ عنصر في أيّ مشروع طباعة ثلاثية الأبعاد. فالقدرة على مواءمة متطلبات الأداء مع خصائص المواد المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد، سواءً كانت بلاستيك FDM أو راتنجات SLA أو نايلون SLS، بالإضافة إلى المعادن، هي التي تحدد نجاح أو فشل الأجزاء عند استخدامها فعلياً.

يتمتع فريق Boda بخبرة واسعة في جميع العمليات الرئيسية وأنواع المواد. بإمكانهم مساعدتك في اختيار الخيار الأمثل وتوفير المال من خلال تجنب عمليات إعادة الطباعة المكلفة. تواصل معنا لمناقشة اختيار المواد لمشروعك القادم.

 

الاسئلة المتكررة

ما هي المواد المناسبة لطباعة الأجزاء الوظيفية بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد؟ 

تشمل الخيارات الرئيسية نايلون 12 بتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)، والراتنجات الهندسية، وراتنجات الطباعة ثلاثية الأبعاد الصلبة (SLA). ويعتمد الاختيار على المتطلبات الميكانيكية والحرارية والكيميائية للتطبيق.

ما هي الاختلافات بين البلاستيك بتقنية FDM والبلاستيك بتقنية SLA؟ 

خيوط الطباعة بتقنية الترسيب المنصهر (FDM) هي مواد لدائن حرارية تنصهر ثم تتصلب مرة أخرى. أما راتنجات الطباعة المجسمة ضوئيًا (SLA) فهي مواد لدائن حرارية تتصلب بشكل دائم عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية. تتميز أجزاء الطباعة بتقنية SLA بسطح أكثر نعومة وتجانسًا أكبر. بينما يمكن أن تكون أجزاء الطباعة بتقنية FDM غير متجانسة، وهي أقل تكلفة للاستخدامات الأساسية.

أي عملية توفر أفضل مقارنة لمواد الطباعة ثلاثية الأبعاد للنماذج الأولية الوظيفية؟ 

تُنتج كل من راتنجات الهندسة بتقنية الطباعة المجسمة الضوئية (SLA) والنايلون بتقنية الطباعة الانتقائية بالليزر (SLS) نماذج أولية وظيفية تتميز بالقوة. توفر تقنية SLS حرية تصميم أكبر للأشكال الهندسية المعقدة، بينما توفر تقنية SLA جودة سطح أعلى بالإضافة إلى نطاق أوسع من... خصائص المواد.

ما هي أفضل مادة لصنع قطع غيار السيارات باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد؟

يُعدّ النايلون 12 بتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) خيارًا شائعًا لقطع غيار السيارات نظرًا لمقاومته العالية للحرارة والاهتزازات والإجهاد الميكانيكي. ويُستخدم في صناعة قنوات التهوية، والمشابك، والأقواس، ومكونات غطاء المحرك. أما بالنسبة للأجزاء المعروضة أو المخصصة للعرض، فيُستخدم راتنج الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية التصليد الضوئي (SLA) للحصول على سطح أملس.

ما هي أفضل مادة للطباعة ثلاثية الأبعاد للأجهزة الطبية؟

تُستخدم راتنجات الهندسة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (SLA) على نطاق واسع في التطبيقات الطبية نظرًا لقدرتها على إنتاج أجزاء ناعمة ودقيقة. وتتوفر راتنجات متوافقة حيويًا لتصنيع أدوات مثل الأدلة الجراحية ونماذج الأسنان. كما يُستخدم نايلون SLS في مكونات الأطراف الاصطناعية نظرًا لقوته ومرونته.