تتطور تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بوتيرة متسارعة. أحيانًا نتحدث عن صنع ألعاب صغيرة لتسلية الأطفال، ثم نشاهد خبرًا يفيد بأن طابعة ثلاثية الأبعاد شيدت مبنىً خرسانيًا قادرًا على تحمل زلزال بقوة 8 درجات على مقياس ريختر. مع مرور الوقت، يبدو أن "طباعة طابعة ثلاثية الأبعاد" ممكنة أيضًا.

بغض النظر عن التوقعات، ما يهم الهواة والمصممين أكثر هو الطابعات ثلاثية الأبعاد المكتبية - أنواعها، وسرعتها، وتكلفتها. إذا كنت من محبي التعمق في التفاصيل، أو جربتَ صنع طابعة ثلاثية الأبعاد بنفسك من قبل، فلا بد أنك تساءلتَ أيضًا: كيف تتحرك؟

تُعد طابعات XYZ وI3 وCoreXY حاليًا أكثر أنماط الطابعات ثلاثية الأبعاد المكتبية شيوعًا. وتتحرك هذه الطابعات على النحو التالي: تحتوي الآلة على محور واحد أو أكثر في اتجاهات X وY وZ لنظام الإحداثيات ثلاثية الأبعاد. يُزوَّد أحد طرفي كل محور بمحرك لتوفير الطاقة. ثم تُحوِّل الأحزمة المتزامنة أو براغي التوجيه دوران المحرك إلى حركة خطية على طول اتجاهات X وY وZ. وأخيرًا، بفضل أنظمة السكك التوجيهية الخطية في الاتجاهات الثلاثة، يُمكن للآلة وضع الفوهة في أي نقطة في المساحة ثلاثية الأبعاد التي تُشكِّلها المحاور، وإخراج الخيوط، وإنشاء مجسم ثلاثي الأبعاد.

لماذا تعتبر أنظمة التوجيه مهمة؟

تخدم أنظمة التوجيه بشكل أساسي ثلاثة أغراض أثناء الطباعة:

1. الدقة: تحقيق التسامح الضيق، ومنع الاهتزاز، وضمان أن رأس الطباعة أو السرير الساخن المثبت على الأدلة يتحرك خطيًا على طول الاتجاه المحدد مسبقًا؛
2. النعومة: تقليل الاحتكاك مع المحامل أو الأسطوانات، والمساهمة في حركة أكثر سلاسة؛
3. الموثوقية: يمكن للهياكل التوجيهية ذات الصلابة الممتازة أن تعمل على تحسين موثوقية الماكينة 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 والملفات الشخصية
2. قضبان ومحامل خطية
3. القضبان الخطية
4. قضبان خطية مدمجة

العجلات والملفات الشخصية

من بين جميع الأدلة، يُعدّ الجمع بين العجلات والمقاطع هو الأكثر شيوعًا وفعالية من حيث التكلفة. عادةً ما توجد 3 إلى 4 بكرات على طول الأخدود على شكل حرف V أو T في المقطع لتوجيه الحركات.

تُصنع الحلقة الخارجية للعجلات عادةً من مادة البولي فورمالدهيد (POM)، بينما تُصنع الحلقة الداخلية من الفولاذ ومحامل كروية. تتميز مادة البولي فورمالدهيد بمتانة عالية، وانخفاض تشوهها، ومقاومة ممتازة للتآكل، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتصنيع عجلات الطابعات. مع الاستخدام السليم، يمكن أن تدوم بكرات البولي فورمالدهيد لمئات الساعات. كما يستخدم بعض المصنّعين مادة البولي كربونات (PC) لتصنيع العجلات، التي تتميز بمتانة أكبر وعمر أطول، وإن كان سعرها أعلى قليلاً.

لضمان حركة خطية، يجب أن تُثبّت العجلات الملامح بشكل صحيح. قد يؤدي الارتخاء المفرط إلى حدوث اهتزازات عند السرعات العالية. أما الإحكام المفرط فيزيد من التآكل، حيث تتراكم الرواسب المتراكمة بين العجلات والقضبان، مما يُسبب حركة غير منتظمة أو اهتزازية. لذلك، يحتاج المستخدمون إلى ضبط إحكام العجلات وفقًا لطريقة عمل الطابعة، وتنظيف الرواسب، واستبدال العجلات عند الحاجة. مقارنةً بالدلائل الأخرى، يتطلب هذا المزيج من العجلات والملامح صيانة دورية.

بالإضافة إلى ذلك، تتميز المواد البلاستيكية بصلابة أقل من المعادن. يصعب تجنب تشوه العجلات أثناء الحركة، لذا فإن الطابعات التي تستخدم العجلات عادةً ما تكون دقتها أقل مقارنةً بالطابعات ذات الأدلة الفولاذية.

تتوفر المقاطع الشائعة الاستخدام في الطابعات ثلاثية الأبعاد بنوعين: مقاطع ذات فتحة على شكل حرف V ومقاطع ذات فتحة على شكل حرف T. وكما يوحي الاسم، يكمن الفرق الرئيسي بينهما في شكل المقطع العرضي. وتتوافق المقاطع المختلفة مع عجلات مختلفة لتحقيق تأثيرات توجيهية ممتازة.

نظرًا لأن الملفات الشخصية قابلة للتخصيص وغير مكلفة وذات أداء كافٍ، فإن الجمع بين العجلات والملفات الشخصية هو الخيار الأفضل للعديد من عمليات بناء الطابعات ثلاثية الأبعاد بنفسك.

المزايا

• أداء توجيهي جيد، رخيص ومفيد؛
• خيارات وفيرة ومتاحة على نطاق واسع؛
• سهلة التثبيت والاستخدام والتعديل؛

العيوب

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

قضبان ومحامل خطية

دفعت محدودية أدلة العجلات والمقاطع هواة الأعمال اليدوية والمصنعين إلى التركيز بشكل أكبر على مزيج آخر يتميز بدقة وثبات فائقين، ألا وهو القضبان والمحامل الخطية. في السنوات القليلة الماضية، أصبحت أدلة القضبان والمحامل مرادفة تقريبًا لأنظمة التوجيه في الطابعات ثلاثية الأبعاد. يلزم وجود قضيبين ومحملين على الأقل لكل محور من محاور الطابعة. تلتف المحامل أو تلتصق بالقضبان، بينما تتصل بعربات مثبتة بطارد أو سرير مُسخّن، لتوجيه الحركة الخطية.

القضيب الخطي، المعروف أيضًا باسم القضيب الأملس، هو ببساطة قضيب فولاذي أسطواني، متوفر بأحجام مختلفة - تستخدم الطابعات ثلاثية الأبعاد عادةً قضبانًا بقطر 8 مم. يمكن تشكيل القضبان بدقة أبعاد عالية مع أسطح ناعمة للغاية. عند استخدامها مع محامل كروية، يمكن للقضبان المُجمّعة جيدًا تحقيق حركات خطية جيدة نسبيًا.

نعم، هناك أيضًا عيوب في النعومة. عند استخدامها للتوجيه، يجب تثبيت القضبان من طرفيها بمشابك معدنية. كما أن المحامل لا تتحرك خطيًا فحسب، بل تدور أيضًا بزاوية 360 درجة حول الأسطوانات. لذلك، يجب تثبيتها بمحامل على قضيب موازٍ آخر للسماح للطارد أو السرير المُسخّن بالتحرك خطيًا. قد يكون التوازي بين قضيبين أمرًا صعبًا، خاصةً لمحبي الأعمال اليدوية.

لذا، فإن استخدام أدلة العمود يعني دقة واستقرارًا أعلى من ناحية، ولكن أيضًا مساحة أكبر ووزنًا أكبر، إلى جانب صعوبة تجميع أعلى من ناحية أخرى.

المحامل المستخدمة مع القضبان هي في الغالب محامل ذات أخدود على شكل حرف U ومحامل خطية مصنوعة بالكامل من الفولاذ. تشبه محامل الأخدود على شكل حرف U العجلات التي تتحرك على طول القضبان. تتميز المحامل الخطية بغلاف أسطواني من الخارج، مع عدة صفوف من الكرات من الداخل تدور على طول العمود. كلاهما يحقق توجيهًا سلسًا بأقل قدر من الاحتكاك.

تتميز القضبان والمحامل بعمرها الطويل، ولا تتطلب سوى تنظيفها من حين لآخر لإزالة الرواسب المتراكمة عليها وتزييتها. إذا كانت القضبان مُحاطة بغلاف بدلاً من أن تكون إطارًا، فإن تفكيك الغلاف وتزييت المحامل يكون سهلًا. مع ذلك، قد يكون استبدال المحامل البالية بعد الاستخدام المطول أمرًا صعبًا بعض الشيء.

المزايا

• أداء توجيهي ممتاز، دقة عالية، تكلفة معتدلة؛
• خيارات وفيرة ومتاحة على نطاق واسع؛
• انخفاض معدل الصيانة؛

العيوب

• بصمة أكبر ووزن أكبر عند إغلاقها؛
• يمكن أن يكون التوازي مشكلة؛
• قد يكون استبدال المحامل أمرًا صعبًا.

القضبان الخطية

شهدت السكك الحديدية الخطية، المعروفة أيضًا باسم الدليل الخطي، رواجًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. يحتوي جزء السكة الفولاذية على مسار على كل جانب، وتحتوي المنزلقات المتداخلة عليها على مجموعتين من محامل الكرات التي تتحرك على طول المسارات. بالإضافة إلى الطابعات ثلاثية الأبعاد الصناعية، يستخدم المزيد من مصنعي أجهزة الكمبيوتر المكتبية السكك الخطية في خطوط منتجاتهم الراقية.

على الرغم من أن كليهما مصنوع من الفولاذ، إلا أن القضبان الخطية أقل عرضة للانحناء والاهتزاز مقارنةً بالقضبان عند العمل الفعلي. ويعود ذلك أساسًا إلى طريقة تركيبها الفريدة. فالقضبان مثبتة من كلا الطرفين فقط، بينما تحتوي القضبان الخطية على ثقوب تركيب على مسافات منتظمة على السطح، مما يسمح بتثبيتها بإحكام على الهيكل أو هياكل الدعم الأخرى.

يضمن هذا حركة خطية مستقرة ويحسّن جودة الطباعة من جهة، ويزيد من حد السرعة بمنع الاهتزاز المفرط عند السرعات العالية من جهة أخرى. وهذا أحد أسباب قدرة J1 على تحقيق طباعة عالية السرعة.

أثناء التجميع، يمكن للقضبان الخطية توجيه محور واحد دون الحاجة إلى اقتران، مما يوفر المساحة والوزن، ويجعل الآلة أخف وزنًا وأكثر إحكامًا. كما لا داعي للقلق بشأن توازي القضبان.

يبدو كل شيء رائعًا، ولكن ما العيب؟ السعر. تُظهر الحسابات التقريبية أنه بينما تُقارب أسعار منزلقات القضبان الخطية أسعار محامل القضبان، فإن تكلفة القضبان نفسها تتراوح بين 2.5 و4 أضعاف تكلفة زوج من القضبان بأطوال متماثلة. بالمقارنة، تُعتبر القضبان رخيصة وجيدة الجودة. عند موازنة التكلفة الإضافية مع تحسينات الأداء، يُفضل معظم مُحبي الأعمال اليدوية استخدام القضبان والمحامل.

للصيانة، تُشبه القضبان الخطية القضبان السابقة، وتتطلب تزييتًا منتظمًا للمحامل. كما تحتاج القضبان المكشوفة إلى تنظيف دوري.

المزايا

• دقة عالية جدًا؛
• يدعم الطباعة عالية السرعة؛
• حجم صغير، مريح للاستخدام؛

العيوب

• لا يمكن أن تكون بمثابة هياكل دعم، ويجب تثبيتها على الملفات الشخصية، وما إلى ذلك؛
• غالي.

قضبان خطية مدمجة

وبدلاً من استخدام الأدلة المذكورة أعلاه بشكل مباشر، يستكشف بعض المصنعين أيضًا حلولاً أفضل بهدف تطوير القدرات التقنية أو تلبية احتياجات منتجات محددة.

تكمن نقاط القوة الأساسية للقضبان الخطية في صلابتها العالية وحركتها الدقيقة والسلسة بفضل محامل الكرات. وتظل هذه المزايا محفوظة في القضبان الخطية المدمجة.

عند تصنيع الوحدات الخطية، تُدمج شركة FUYU شريطين فولاذيين في الجدران الداخلية لغلاف سبائك الألومنيوم، ثم تُصقل الفولاذ بدقة عالية باستخدام آلة CNC لتشكيل قضبان بدقة متناهية. كما أن القضبان المُدمجة الأعرض تُحسّن الصلابة دون زيادة الوزن، مما يُناسب عمليات CNC عالية الطاقة بشكل أفضل - فالطابعات ثلاثية الأبعاد العادية لا تتطلب مثل هذه الصلابة الشديدة.

مقارنةً بتركيب القضبان الخطية مباشرةً على سطح المواد المبثوقة، فإن دمج القضبان الفولاذية داخل الوحدات الخطية يمنع تراكم الغبار عليها، مما يقلل من وتيرة الصيانة. كما أنه يجعل الوحدات أخف وزنًا وأكثر إحكامًا، فلا تبدو الآلة باهظة الثمن كمشروع بسيط. مع ذلك، يُشكل دمج القضبان الخطية تحديات تصنيعية كبيرة للمُصنِّع، دون أي ميزة تكلفة مُقارنةً بالقضبان الخطية التقليدية.

المزايا

• مثل القضبان الخطية: دقة عالية جدًا، تدعم الطباعة عالية السرعة، مساحة صغيرة؛
• تم تحسين صلابة السكك الحديدية بشكل أكبر؛
• انخفاض معدل الصيانة مع وجود قضبان مغلقة؛

العيوب

• غالي؛
• غير مناسب للمشاريع المنزلية.