تتطور تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بوتيرة متسارعة. ففي لحظة نتحدث عن صنع ألعاب صغيرة لتسلية الأطفال، وفي اللحظة التالية نرى أخبارًا عن طابعة ثلاثية الأبعاد بنت مبنىً خرسانيًا قادرًا على تحمل زلزال بقوة 8 درجات. ومع مرور الوقت، يبدو أن "طباعة طابعة ثلاثية الأبعاد" أمر ممكن أيضًا.

لكن بغض النظر عن التوقعات، فإن ما يهم الهواة والمبتكرين أكثر هو طابعات ثلاثية الأبعاد المكتبية - أنواعها، وسرعة طباعتها، وتكلفتها. إذا كنت من محبي التعمق في التفاصيل، أو سبق لك تجربة صنع طابعة ثلاثية الأبعاد بنفسك، فلا بد أنك فكرت في هذا السؤال: كيف تتحرك؟

تُعدّ طابعات XYZ وI3 وCoreXY حاليًا من أكثر أنواع طابعات سطح المكتب ثلاثية الأبعاد شيوعًا. وتتلخص آلية عملها في وجود محور واحد أو عدة محاور في الاتجاهات X وY وZ لنظام الإحداثيات ثلاثي الأبعاد. يُزوّد ​​أحد طرفي كل محور بمحرك لتوفير الطاقة. ثم تقوم أحزمة متزامنة أو براغي لولبية بتحويل دوران المحرك إلى حركة خطية على طول الاتجاهات X وY وZ. وأخيرًا، بفضل أنظمة التوجيه الخطي في الاتجاهات الثلاثة، تستطيع الطابعة وضع الفوهة في أي نقطة في الفضاء ثلاثي الأبعاد الذي تُشكّله المحاور، ثم بثق الخيط، وإنشاء مجسم ثلاثي الأبعاد.

لماذا تعتبر أنظمة التوجيه مهمة؟

تخدم أنظمة التوجيه بشكل أساسي ثلاثة أغراض أثناء الطباعة:

1. الدقة: تحقيق التفاوت الضيق، ومنع التذبذب، وضمان تحرك رأس الطباعة أو السرير الساخن المثبت على الموجهات بشكل خطي على طول الاتجاه المحدد مسبقًا؛
2. السلاسة: تقليل الاحتكاك مع المحامل أو البكرات، والمساهمة في حركة أكثر سلاسة؛
3. الموثوقية: يمكن للهياكل التوجيهية ذات الصلابة الممتازة أن تحسن موثوقية الآلة وتساهم في الحصول على مطبوعات أكثر اتساقًا بمرور الوقت.

تنوع أنظمة التوجيه

بشكل عام، تشمل أنظمة التوجيه المستخدمة في الطابعات ثلاثية الأبعاد ما يلي:

1. العجلات والملامح
2. قضبان ومحامل خطية
3. قضبان خطية
4. قضبان خطية مدمجة

العجلات والبروفيلات

من بين جميع أدوات التوجيه، يُعدّ الجمع بين العجلات والقطاعات الجانبية الأكثر شيوعًا وفعالية من حيث التكلفة. عادةً ما يوجد من 3 إلى 4 بكرات تتحرك على طول الأخدود على شكل حرف V أو T في القطاع الجانبي لتوجيه الحركة.

الحلقة الخارجية للعجلات مصنوعة في الغالب من مادة البولي فورمالدهيد (POM)، بينما تتكون الحلقة الداخلية من الفولاذ ومحامل كروية. تتميز مادة POM بقوة عالية، ومقاومة للتشوه، ومقاومة ممتازة للتآكل، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لصناعة عجلات الطابعات. مع الاستخدام السليم، يمكن أن تدوم بكرات POM لمئات الساعات. كما يستخدم بعض المصنّعين مادة البولي كربونات (PC) لصناعة العجلات، والتي تتميز بقوة أعلى وعمر أطول، وإن كان ذلك بسعر أعلى قليلاً.

لضمان حركة خطية، يجب أن تثبت العجلات بإحكام على القضبان. فإذا كانت العجلات مرتخية جدًا، قد يحدث اهتزاز عند السرعات العالية. أما إذا كانت مشدودة جدًا، فسيزداد التآكل، إذ قد تتراكم الأوساخ بين العجلات والقضبان، مما يُسبب حركة متقطعة أو غير منتظمة. لذا، يحتاج المستخدمون إلى ضبط إحكام العجلات وفقًا لطريقة عمل الطابعة، وتنظيف الأوساخ، واستبدال العجلات عند الضرورة. وبالمقارنة مع أدوات التوجيه الأخرى، تتطلب مجموعة العجلات والقضبان صيانة أكثر تكرارًا.

بالإضافة إلى ذلك، تتميز المواد البلاستيكية بصلابة أقل من المعادن. ومن الصعب تجنب تشوه العجلات أثناء الحركة، لذا فإن الطابعات التي تستخدم العجلات تتميز عمومًا بدقة أقل مقارنة بتلك التي تستخدم أدلة فولاذية.

تتوفر المقاطع الجانبية الشائعة الاستخدام في طابعات ثلاثية الأبعاد بنوعين: مقاطع على شكل حرف V ومقاطع على شكل حرف T. وكما يوحي الاسم، فإن الفرق الرئيسي بينهما هو شكل المقطع العرضي. وتُستخدم أنواع مختلفة من هذه المقاطع مع عجلات مختلفة لتحقيق توجيه فعال.

نظراً لأن الملفات الشخصية قابلة للتخصيص وغير مكلفة وذات أداء كافٍ، فإن الجمع بين العجلات والملفات الشخصية هو الخيار الأفضل للعديد من عمليات بناء طابعات ثلاثية الأبعاد التي يقوم بها المستخدمون بأنفسهم.

المزايا

• أداء توجيه جيد، رخيص ومفيد؛
• خيارات وفيرة، متاحة على نطاق واسع؛
• سهل التركيب والاستخدام والتعديل؛

العيوب

• دقة أقل؛
• أكثر عرضة للاهتزاز؛
• يتطلب صيانة أكثر تكراراً.

قضبان ومحامل خطية

دفعت محدودية أدلة العجلات والملفات الجانبية الهواة والمصنعين إلى توجيه اهتمامهم نحو تركيبة أخرى تتميز بدقة وثبات فائقين، ألا وهي القضبان الخطية والمحامل. في السنوات القليلة الماضية، أصبحت أدلة القضبان والمحامل مرادفة تقريبًا لأنظمة التوجيه في طابعات ثلاثية الأبعاد. يلزم وجود قضيبين على الأقل ومحملين لكل محور من محاور الطابعة. تلتف المحامل حول القضبان أو تلتصق بها، وتتصل في الوقت نفسه بعربات مثبتة عليها وحدة بثق أو قاعدة تسخين، لتوجيه الحركة الخطية.

القضيب الخطي، أو القضيب الأملس، هو ببساطة قضيب فولاذي أسطواني، متوفر بأحجام مختلفة - تستخدم طابعات ثلاثية الأبعاد عادةً قضبانًا بقطر 8 مم. يمكن تشكيل القضبان بدقة أبعاد عالية مع أسطح ناعمة جدًا. وعند تركيبها بشكل صحيح مع محامل كروية، يمكن للقضبان تحقيق حركات خطية جيدة.

نعم، هناك أيضًا عيوبٌ للحركة السلسة. فعند استخدامها للتوجيه، يجب تثبيت القضبان من كلا الطرفين بمشابك معدنية. كما أن المحامل لا تتحرك خطيًا فحسب، بل تدور أيضًا 360 درجة حول الأسطوانات. لذلك، يجب تثبيتها على محامل في قضيب موازٍ آخر لتمكين الطارد أو قاعدة التسخين من الحركة الخطية. وقد يكون تحقيق التوازي بين قضيبين أمرًا صعبًا، خاصةً بالنسبة للهواة.

لذا، فإن استخدام أدلة العمود يعني دقة واستقرارًا أعلى من جهة، ولكن أيضًا مساحة أكبر ووزنًا أكبر، بالإضافة إلى صعوبة أكبر في التجميع من جهة أخرى.

تُستخدم في الغالب محامل ذات أخدود على شكل حرف U ومحامل خطية مصنوعة بالكامل من الفولاذ مع القضبان. تشبه المحامل ذات الأخدود على شكل حرف U عجلات تتدحرج على طول القضبان. أما المحامل الخطية، فتتكون من غلاف أسطواني خارجي، بداخله عدة صفوف من الكرات التي تدور على طول العمود. يوفر كلا النوعين توجيهًا سلسًا بأقل احتكاك ممكن.

تتميز القضبان والمحامل بعمرها الطويل، ولا تتطلب سوى تنظيفها من حين لآخر لإزالة الرواسب المتراكمة عليها وتزييت المحامل. إذا كانت القضبان مغلفة بغلاف بدلاً من أن تكون بمثابة الإطار، فإن تفكيك الغلاف وتزييت المحامل يصبح سهلاً. مع ذلك، قد يكون استبدال المحامل البالية بعد الاستخدام المطول أمراً صعباً بعض الشيء.

المزايا

• أداء توجيه ممتاز، دقة عالية، تكلفة معتدلة؛
• خيارات وفيرة، متاحة على نطاق واسع؛
• عدد مرات الصيانة المنخفضة؛

العيوب

• مساحة أكبر ووزن أكبر عند إغلاقها؛
• قد يمثل التوازي مشكلة؛
• قد يكون استبدال المحامل أمراً صعباً.

قضبان خطية

شهدت القضبان الخطية، أو ما يُعرف أيضًا بالدليل الخطي، رواجًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. يتكون جزء القضيب الفولاذي من مسار على كل جانب، وتحتوي المنزلقات الموجودة عليه على مجموعتين من محامل الكرات التي تتحرك على طول المسارات. بالإضافة إلى طابعات ثلاثية الأبعاد الصناعية، يستخدم المزيد من مصنعي الطابعات المكتبية القضبان الخطية في خطوط إنتاجهم المتطورة.

على الرغم من أن كليهما مصنوع من الفولاذ، إلا أن القضبان الخطية أقل عرضة للانحناء والاهتزاز مقارنةً بالقضبان عند الاستخدام الفعلي. ويعود ذلك أساسًا إلى طريقة تثبيتها الفريدة. فالقضبان تُثبّت من طرفيها فقط، بينما تحتوي القضبان الخطية على فتحات تثبيت على مسافات منتظمة على سطحها، مما يسمح بتثبيتها بإحكام على الهيكل أو غيره من هياكل الدعم.

يضمن ذلك حركة خطية ثابتة ويحسن جودة الطباعة من جهة، ويزيد من حد السرعة بمنع الاهتزاز المفرط عند السرعات العالية من جهة أخرى. وهذا أحد أسباب قدرة طابعة J1 على تحقيق الطباعة عالية السرعة.

أثناء التجميع، يمكن للسكك الخطية توجيه محور واحد دون الحاجة إلى تركيب محاور أخرى، مما يوفر المساحة والوزن ويجعل الآلة أخف وزنًا وأكثر انسيابية. كما لا داعي للقلق بشأن توازي السكك.

يبدو الأمر رائعًا، لكن ما المشكلة؟ السعر. تُظهر حسابات تقريبية أنه بينما تتشابه أسعار منزلقات القضبان الخطية مع أسعار محامل القضبان، فإن تكلفة القضبان نفسها تتراوح بين 2.5 و4 أضعاف تكلفة زوج من القضبان بنفس الطول. في المقابل، تُعد القضبان رخيصة وذات جودة كافية. عند موازنة التكلفة الإضافية مع تحسين الأداء، سيختار معظم هواة الأعمال اليدوية القضبان والمحامل.

أما بالنسبة للصيانة، فإن القضبان الخطية تشبه القضبان السابقة، إذ تتطلب تشحيم المحامل بانتظام. كما تحتاج القضبان المكشوفة إلى تنظيف دوري.

المزايا

• دقة عالية جداً؛
• يدعم الطباعة عالية السرعة؛
• حجم صغير، سهل الاستخدام؛

العيوب

• لا يمكن استخدامها كهياكل داعمة، ويجب تثبيتها على البروفايلات، وما إلى ذلك؛
• غالي.

قضبان خطية مدمجة

بدلاً من استخدام الإرشادات المذكورة أعلاه بشكل مباشر، يقوم بعض المصنّعين، بهدف تطوير القدرات التقنية أو تلبية احتياجات منتجات محددة، باستكشاف حلول أفضل.

تكمن المزايا الأساسية للسكك الحديدية الخطية في صلابة قضبانها الفولاذية العالية وحركتها الدقيقة والسلسة التي توفرها محامل الكرات. وتُحفظ هذه المزايا في السكك الحديدية الخطية المدمجة.

عند تصنيع الوحدات الخطية، تقوم شركة FUYU بتضمين شريطين فولاذيين في الجدران الداخلية لغلاف من سبائك الألومنيوم، ثم تقوم بصقل الفولاذ بدقة متناهية باستخدام آلات CNC لتشكيل قضبان بدقة تصل إلى مستوى الميكرون. كما أن القضبان المدمجة الأعرض تُحسّن الصلابة بشكل أكبر دون زيادة الوزن، مما يجعلها أكثر ملاءمة لعمليات CNC عالية الطاقة - ففي النهاية، لا تتطلب طابعات ثلاثية الأبعاد العادية مثل هذه الصلابة الفائقة.

بالمقارنة مع تركيب القضبان الخطية مباشرةً على سطح القطع المبثوقة، فإن تضمين القضبان الفولاذية داخل الوحدات الخطية يمنع تراكم الغبار عليها، مما يقلل من الحاجة إلى الصيانة. كما يجعل الوحدات أخف وزنًا وأكثر انضغاطًا، فلا تبدو الآلة باهظة الثمن وكأنها مشروع هاوٍ. مع ذلك، يُمثل تضمين القضبان الخطية تحديات تصنيعية كبيرة للمُصنِّع، دون أي ميزة من حيث التكلفة مقارنةً بالقضبان الخطية العادية.

المزايا

• كما هو الحال مع القضبان الخطية: دقة عالية جدًا، يدعم الطباعة عالية السرعة، حجم صغير؛
• تم تحسين صلابة القضبان بشكل أكبر؛
• انخفاض وتيرة الصيانة مع وجود قضبان مغلقة؛

العيوب

• غالي؛
• غير مناسب للأعمال اليدوية.