الطباعة ثلاثية الأبعاد.. ثورة تقلب آفاق التصنيع وتمهّد لغزو الفضاء

على امتداد البصر تفترش أرصفةَ الطريق كتبٌ ومجلدات وأوراق، وبائعون ذوو أزياء مختلفة يلوحون بأيديهم عاليا يستعرضون آخر مقتنياتهم من مخطوطات أثرية وعتيقة، في ظاهرة مدهشة لازمت أبناء شارع المتنبي الذي تحوّل إلى سوق ضخم لبيع الكتب المستعملة في وسط بغداد، والمتفرّع أيضا عن شارع الرشيد التاريخي الذي يعود أصله إلى عصر الخليفة العباسي هارون الرشيد، وقد عُرِف منذ ذلك الحين بسوق الورّاقين، لما ازدهر به من تجارة الكتب وطباعتها بشتى أنواعها ومجالاتها، حتّى باتت تلك البقعة الجغرافية عين ثقافة أهلها، وفيها تُضرب الأمثال.

وبعد قرون طويلة ومع ظهور آلات الطباعة التقليدية، ثمّ آلات الطباعة الرقمية، لم تعد عملية الطباعة حكرا على أيّ شريحة، فلا تكاد تجد مؤسسة اليوم أو شركة إلا وتقتني آلة مماثلة لتسيير عملها وإدارة شؤونها، ناهيك عن من يقتنيها في منزله لاستعمالات شخصية وغيرها.

محركات البخار.. رمز الثورة الصناعية التي غيرت العالم

كانت الثورة الصناعية ترخي بظلها على شعوب القارة العجوز في منتصف القرن الثامن عشر، وكان من أول وأبرز إنجازات تلك النهضة اختراع المحرك البخاري الذي عزز بشدة دوران عجلة الإنتاج والتصنيع، فباتت الطاقةُ الناتجة من تلك المحركات البدائية مصدرَ الطاقة الأساسي في تحريك كثير من الآلات والمركبات، مما سهّل إنتاج السلع بكميات أكبر وثمن أرخص، وإمكانية نقلها على نطاقات أوسع وبشكل أسرع.

لقد احتلّت تلك المحركات البخارية كبرى المصانع في المدن البريطانية، حيث بدأت شرارة الثورة الصناعية الأولى، وهيمنت بشكل مطلق على عملية سير خط الإنتاج، كما أنّ بساطة تصاميم المنتجات ساهم بشكل كبير في عملية التصنيع مع دور شبه ثانوي لليد العاملة البشرية.

ولكن مع تطوّر الأغراض الصناعية وزيادة تعقيد المنتجات وخاصة ما تبع الثورة الصناعية الثانية في بداية القرن العشرين من نهضة علمية وهندسية وتقنية، أصبح من الضروري التدخل المستمر للإنسان في التصميم والتحكم والتدقيق والتحقيق.

وحتى أنظمة “آلات التحكم الرقمي” (CNC) الحديثة التي تُعد القلب النابض لجلّ الشركات المنتجة والمصنعة اليوم، لما تحتويه هذه الآلات من خيارات متعددة من أدوات القطع مثل المثاقب والمخارط والفارزات والجلّاخات؛ فإنها دائما ما تتطلب وجود ما يُعرف بالعنصر البشري (Operator) للوقوف على آلية سير كلّ آلة، بعد أن يضع بداخلها مواد الخام.

ولسبب ما، فقد تهيأ للبعض إمكانية دمج الصناعة بالطباعة على أن تصنع الأشياء من الصفر، لكن مع الأخذ بعين الاعتبار أن لا تكون هذه الطباعة ثنائية الأبعاد كحبر على ورق، بل طباعة ثلاثية الأبعاد قادرة على تجسيد أيّ مسجم، مهما بلغت صعوبة وتعقيدات بنيته الداخلية والخارجية.

وكان من أول من افترض نموذجا خياليا كهذا كاتبُ الخيال العلمي الأمريكي “رايموند ف. جونز” منتصف القرن الماضي ضمن قصته القصيرة “أدوات التجارة”، فقد تطرق فيها إلى آلة عجيبة تعمل على ذرالجزيئات لتشكّل أجساما ومجسمات مختلفة. ثمّ سريعا ما تطوّر مفهوم الطباعة ثلاثية الأبعاد، وأخذت الفكرة بالتبلور على يد مجموعة من الفيزيائيين والكيميائيين في السبعينيات والثمانينيات، قبل أن تبدأ الشركات التجارية باتخاذ خطوات جريئة في هذه التكنولوجيا الواعدة، مؤذنة بقيام ثورة صناعية جديدة.

رقمنة التصنيع.. على أعتاب الثورة الصناعية الثالثة

في وقت سابق من عام 2016 نشرت صحيفة “ذي إيكونوميست” (The Economist) مقالا مطوّلا تتناول به التقنية الدخيلة على عالم التصنيع والتهديد الذي ستخلقه الطباعة ثلاثية الأبعاد بالنسبة لعمليات التصنيع والإنتاج التقليدية، وقد عُنوِن المقال بجملة تقريرية قصيرة وموجزة للغاية “ثورة صناعية ثالثة”، وبدا أن الكاتب متحمس بقوله إن رقمنة التصنيع من شأنها تغيير المعادلة بشكل كامل لصالح بعض الدول الغنية.

يأتي ذلك في خضم آلية التصنيع التي تنتهجها أغلب الشركات المصنعة العالمية، وتُعرف بآلية “الإنتاج الضخم” أو “الإنتاج المتدفق”، وهي عملية خط إنتاجي لكميات كبيرة من منتجات موحدة باستخدام “خطوط التجميع”، وكان الصناعي ورجل الأعمال الأمريكي “هنري فورد” مؤسس “شركة فورد للسيارات” أوّل من أقحم مفهوم الإنتاج الضخم للمنتجات، وعبارته المُحكمة تصف بإيجاز تلك العملية الإنتاجية، إذ يقول: كل زبون يمكنه صبغ سيارته باللون المفضل.. لطالما كانت سيارته سوداء.1

وتفسير قوله هو أن عملية الإنتاج الضخمة ستحقق خدمة ومنتجا موحدا يشترك بمميزاته وعيوبه جميع العملاء، وهو ما يدفع بخط الإنتاج إلى تصدير أعداد ضخمة من المنتجات، دون إجراء أيّ تعديلات إضافية، مع منح حرية مطلقة للزبون على إجراء تعديلاته الشخصية وفق رغبته بعد اقتناء المنتج.

وهي الصورة المعاكسة تماما لما ستنتهجه الطباعة ثلاثية الأبعاد التي ستتبنى خاصية “التخصيص” للعميل، بحيث أن أي منتج سيصنع وفق شروط ومعايير وتعديلات شخصية بحتة، دون الحاجة إلى بناء خط إنتاجي كامل، فيكون بذلك تفردا وتميزا للعملاء. وهذا من شأنه تقديم حلول عظيمة، وتغطية تصاميم معقدة قد لا تتطلب إنتاج كميات كبيرة من ذات المنتج، على الرغم من السلبية الكبرى في التصنيع بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد، وهي في التكاليف العالية مقارنة بآلية الإنتاج الضخم.

واليوم بعد أكثر من مئة عام على اندلاع الثورة الصناعية الثانية على يد “فورد”، ها نحن أولاء نشهد فصلا جديدا من فصول الصناعة والتصنيع، وقد نكون على أعتاب ثورة صناعية ثالثة من التاريخ الحديث؛ إذ سيكون باستطاعة الشركات تلبية طلبات العملاء مهما بلغت الشروط والتعديلات، وهذا يغطي مجالات عدّة مثل الصناعات الغذائية وصناعة الأزياء وصناعة النقليات وصناعة الأسلحة وفي القطاع الطبي والتعليمي كذلك.

والقائمة تطول مع تطور استخدامات هذه التكنولوجيا، لكن هذا التطوّر يرافقه عدد من العراقيل، فما زالت الطباعة ثلاثية الأبعاد غير مكتملة الأركان لكي تعتمد بشكل كامل، وهذا يعود على الآلية القائمة عليها والمواد المستخدمة.

ثلاثيات الأبعاد.. تفوق الطابعات في الدقة واقتصاد الموارد

تعمل الطابعات ثلاثية الأبعاد في بادئ الأمر على الرسومات الرقمية التي يرسمها مهندس التصميم أو مهندس الميكانيك أو غيرهما من المختصين في “التصميم باستخدام الحاسوب” (CAD)، وثمّة عدة تطبيقات تلبي كافة الأدوات اللازمة للمهندس مثل “كاتيا” و”سوليدوركس” و”كريو” وغيرها من البرمجيات التجارية، وبعد تصميم القطعة أو العيّنة المطلوبة، يحفظ الملف بصيغة “إس تي إل” (STL) أو “أو بي جيه” (OBJ)، وهي الصيغ التي تتعامل معها الطابعات ثلاثية الأبعاد، وتدخل ضمن تقنية “الستيريوليثغرافي” (Stereolithography).

ثمّ تُمَد الطابعات بالمادة المطلوبة أو المُراد استخدامها في تكوين المنتج، وهي أشبه بالحبر الذي يُستخدم في الطابعات التقليدية، وتكون هذه المواد على هيئة خيوط ممتدة إلى الطابعة تُعرف بعملية “التصنيع بالخيوط المنصهرة” (Fused Filament Fabrication)، لتعمل الطابعة على إذابة الخيوط، وعادة ما تكون المواد المستخدمة “لدائن حرارية” أو بتعبير آخر “بوليمرات بلاستيكية”، وهي تلين بالحرارة وتتصلّب مرة أخرى عند التبريد، وأما المواد المعدنية الصلبة كالسبائك وغيرها، فإن عملية استخدامها تُعد أصعب، لذا يلجأ المصنعون إلى صناعة قوالب بمواد تتحمل الحرارة، ثمّ يسكب الحديد المنصهر مثلا في القالب ليتكوّن الجزء النهائي.3

تعتمد الطابعة ثلاثية الأبعاد على عملية “التصنيع التراكمي” (Additive Manufacturing)، وهي عملية بناء تدريجية أفقية، إذ تنصَبُّ طبقات ثنائية الأبعاد فوق بعضها إلى أن يكتمل المنتج، وذلك عكس ما نعتاده عن آلات التصنيع التقليدية التي تعتمد على قص ونحت مواد الخام، للحصول على المجسم النهائي، فتبذر ما يصل إلى 90% من المواد المستخدمة.

أما الطابعات ثلاثية الأبعاد، فهي تضمن كفاءة عالية من مبدأ استهلاك المواد، فلن يكون هناك أيّ زوائد غير مستخدمة، فضلا عن الدقة المتناهية في الحصول على أكثر التفاصيل الهندسية تعقيدا، بفضل ميزة البناء أو التصنيع التراكمي.

إجهاد المواد الصلبة.. عيوب التصنيع التي تغلب عليها الإنسان

رغم كل الإيجابيات التي يوفرها التصنيع ثلاثي الأبعاد، فإن ثمة عيوبا ينبغي أن تُوضع في الحسبان، فمنذ أن امتهن الإنسان صناعة الحديد واستخدمه في عدّة ميادين على مدار عدّة قرون، أدرك منذ البداية إمكانية تقوية الحديد وجعله أكثر صلابة، وكيفية فعل ذلك بواسطة تعريضه للحرارة والتبريد، وفق معالجة معيّنة تعرف بعملية صقل المعادن، لقد لازمت هذه المهارات الإنسان، وما زال ملتزما بها حتى اليوم في إنتاج عدد من المواد الصلبة بواسطة الإنتاج الضخم، لكن هذا ما قد تفقده الطباعة ثلاثية الأبعاد؛ صلابة المنتج.

وعندما تفقد المواد الصلابة اللازمة فإنها تتعرض إلى “الكلال” أو “الإجهاد”، وهو مصطلح ميكانيكي يُستخدم لوصف نوع من أنواع التشوّه البنيوي للمادة عند تعرضها لحمل دوري، لذا يُستعان بمعالجات ما بعد التصنيع للتخلص من العيوب الميكانيكية، مثل استخدام تقنية “الضغط المتوازن عالي الحرارة” (Hot Isostatic Pressing)، وهي طريقة لتعريض المنتج لحرارة وضغط عاليين من جميع الأطراف، لجعله أكثر صلابة.

ورغم تلك التحديات فإنّ التصنيع بواسطة الطابعات ثلاثية الأبعاد قد قطع شوطا كبيرا في عدة مجالات، ففي منتصف العام المنصرم 2021، خرجت شركة “إي أو أس” (EOS) -الرائدة في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد على مستوى العالم- بإعلانها عن صناعة أوّل محرك صاروخي بشكل كامل بواسطة هذه التقنية الحديثة في مفاجأة هي الأثقل من نوعها.4

مساكن القمر.. مأوى رواد الفضاء في رحلة “أرتميس”

لم يتوقف الأمر عند حد صناعة المحركات الصاروخية، ففي الولايات المتحدة الأمريكية أعلنت إدارة الطيران الفيدرالية “إف إيه إيه” (FAA) عن عزمها استخدام تقنيات التصنيع بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد، وهذا يعني ثورة صناعية في الطيران تلوح في الأفق، لأن إدارة الطيران الفيدرالية تتمتع بالسلطة القضائية العليا في البلاد، وجميع أجزاء وقطع الطائرات يجب أن توافق عليها هذه الإدارة.5

وليس هذا فحسب، بل إنّ استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد بات أحد المقترحات الممكنة لحلّ مشكلة البناء على سطح القمر، ففي نموذج لقاعدة بشرية استعرضته وكالة الفضاء الأمريكية ناسا بالتعاون مع الشركة الرائدة في الذكاء الصناعي “سبيس فاكتوري”، عرضت وحدات سكنية على سطح القمر مطبوعة بشكل كامل بطابعات ثلاثية الأبعاد، وذلك ضمن مشروع “لينا” (LINA) السكني المسؤول عن إمداد الحلول السكنية والبنية التحتية لروّاد الفضاء المتوقع وصولهم إلى القمر ضمن برنامج “أرتميس” خلال السنوات القليلة القادمة.

يشمل مشروع “لينا” وحدة سكنية أساسية بمساحة 90 متر مربع، على أن توصل بها وحدات سكنية أخرى تبلغ مساحة كل منها 75 مترا مربعا. وما هو مخطط له أن يكون البناء صالحا للعيش مدة تصل إلى 50 سنة، على أن يحمي روّاد الفضاء من أشعة الشمس الفتاكة ومن الزلازل القمرية، وتقلبات درجات الحرارة حين تغيب أشعة الشمس.

كما سيتخذ المشروع من القطب الجنوبي مقرّا له، في بقعة أُطلِق عليها “قمة الضوء السرمدي”؛ إذ أن أشعة الشمس ستكون حاضرة بشكل مستمر تقريبا، وهي ظروف مناسبة للغاية لتوليد الطاقة الشمسية. ويُعتقد كذلك بأنّ المكان مزوّد بمياه جوفية سيجري التنقيب عنها مع أوّل الرحلات الاستطلاعية على سطح القمر.

وأما ما يخص المواد المستخدمة لتصنيع وطباعة الوحدات السكنية، فستكون التربة القمرية العنصر الأساسي، بالإضافة إلى البوليمر القادم من الأرض، وعلى عكس المعتاد، فلن تكون الطباعة بشكل عامودي، بل ستتخذ الآلات زاوية مقدارها 70 درجة أثناء عملية التصنيع، لبناء الأسقف المقببة للوحدات.6

إعادة التدوير.. تجارب خفض تكاليف محطة الفضاء الدولية

وعلى صعيد آخر وبالقرب من الأرض، هناك عمل كبير يُجرى على متن محطة الفضاء الدولية فيما يخص الطباعة ثلاثية الأبعاد، فثمّة تجارب عدة على مواد البوليمر والبلاستيك القابلة لإعادة التدوير والاستخدام، ذلك باستخدام بعض الطابعات المكتبية صغيرة الحجم الملائمة لطبيعة المكان ذات المساحة المحدودة، وأيضا البيئة ذات الجاذبية المعدومة.

وترى مهندسة المواد “تريسي براتر” من مركز “مارشال لرحلات الفضاء” أنّ هذا من شأنه خفض التكاليف بصورة كبيرة، لأن ثمة ما يقارب 3 آلاف كيلوغرام من الحمولة ترسل سنويا إلى المحطة، والمقصود بالحمولة هنا ما يخص قطع الغيار فقط، ويكلّف ناسا إرسال كل كيلوغرام من الحمولة مبلغ 20 ألف دولار، فأيّ آلية لتخفيف عبء الوزن سيكون مرحبا بها دائما، والطباعة ثلاثية الأبعاد تعِد بمستقبل مشرق.7

إنّ التطوّر التاريخي الذي رافق الطباعة والتصنيع على حدة ليلتقيا في نقطة زمنية نقف عندها اليوم، من شأنه أن يزيد حظوظ البشرية في تجاوز قدرتها الحالية المحدودة وأن يلبي سقف طموحها العالي، وإن ذلك ليضع آمالا كبيرة على الطابعات ثلاثية الأبعاد في إفساح الطريق لآفاق جديدة للإنسان.

ولا أحد يعلم بعدُ مدى قدرة هذه الآلات على تلبية احتياجاتنا البشرية في عدّة ميادين، لكن وكما يبدو، فإننا موعودون بثورة صناعية قادمة.

 

المصادر

[1] شوفر، فيليمون (2016). هل الطباعة ثلاثية الأبعاد هي الثورة الصناعية القادمة؟. تم الاسترداد من: https://techcrunch.com/2016/02/26/is-3d-printing-the-next-industrial-revolution/

[2] محرروا الموقع (التاريخ غير معروف). ما هي الطباعة ثلاثية الأبعاد؟. تم الاسترداد من: https://3dprinting.com/what-is-3d-printing/

[3] وودفورد، كريس (2021). الطابعات ثلاثية الأبعاد. تم الاسترداد من: https://www.explainthatstuff.com/how-3d-printers-work.html#:~:text=A%203D%20printer%20essentially%20works,the%20next%20layer%20on%20top.

[4] كيسر، لين (2022). لقد صنعنا للتو أكبر محرك صاروخي في العالم بطباعة ثلاثية الأبعاد. تم الاسترداد من: https://www.hyperganic.com/blog/we-just-built-the-worlds-largest-3d-printed-aerospike-rocket-engine/

[5] ألبرايت، براين (2017). إدارة الطيران الفدرالية تطور خارطة طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد. تم الاسترداد من: https://www.digitalengineering247.com/article/faa-develops-3d-printing-roadmap

[6] كانو، باولو (2022). ناسا ومصنع AI للفضاء يطوران هيكلا قمريا مطبوعا ثلاثي الأبعاد. تم الاسترداد من: https://www.archdaily.com/989713/nasa-and-ai-space-factory-develop-a-3d-printed-lunar-structure

[7] هورلي، بيلي (2020). الطباعة ثلاثية الأبعاد واستكشاف الفضاء: كيف ستستخدم ناسا التصنيع التراكمي. تم الاسترداد من: https://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/stories/blog/35871