ما هو الحد الأقصى لحجم البناء والدقة الممكن تحقيقهما في الطباعة الخزفية ثلاثية الأبعاد؟

من منظور هندسة التصنيع، تُحدد قدرات التصنيع الإضافي للسيراميك من خلال موازنة أساسية بين حجم البناء والدقة والتقنية المستخدمة. ورغم أن الطباعة ثلاثية الأبعاد للسيراميك تتيح حرية هندسية غير مسبوقة، إلا أنها لا تزال أقل قدرة من حيث أحجام البناء الكبيرة أو الدقة الميكرونية التي تحققها بعض أنظمة الطباعة المعدنية، كما أنها تعمل ضمن قيود خاصة ناتجة عن عملية التلبيد.

أقصى حجم بناء حسب التقنية

تكون أحجام البناء في الطباعة السيراميكية ثلاثية الأبعاد محدودة أكثر من نظيراتها في الطباعة البوليمرية أو المعدنية، ويعود ذلك إلى صعوبة التعامل مع المساحيق السيراميكية الدقيقة والكثيفة، وأهمية تحقيق إزالة رابطة (debinding) وتلبيد متجانسين.

• طرق الطباعة المعتمدة على الليثوغرافيا (SLA/DLP/LCM): وهي أكثر الأساليب شيوعًا للدقة العالية، وتعتمد على حوض راتنج حساس للضوء يحتوي على جسيمات سيراميكية. توفر الأنظمة الصناعية الحالية مثل أنظمة Lithoz أحجام بناء تتراوح بين 200 × 200 × 100 مم و300 × 300 × 200 مم. وتُستخدم هذه الأنظمة لإنتاج أجزاء في قطاعات الأجهزة الطبية والطيران والفضاء، لكنها محدودة بحجم الحوض والحاجة إلى اختراق ضوئي متجانس.

• الطباعة بنفث الموثق (Binder Jetting): وهي عملية يتم فيها نفث مادة رابطة على طبقة من المسحوق، ويمكنها تحقيق أحجام بناء أكبر. بعض الأنظمة الصناعية تصل إلى 800 × 500 × 400 مم، لكن هذا يأتي على حساب انخفاض الدقة وزيادة المسامية في الجزء الملبد مقارنة بالطرق المعتمدة على الليثوغرافيا.

• نفث المادة (Material Jetting - NPJ): مثل تقنية XJet NPJ، والتي تقدم دقة ممتازة ولكن بحجوم بناء محدودة عادة في حدود 200 × 200 × 100 مم، مماثلة للأنظمة المعتمدة على الليثوغرافيا.

الدقة والوضوح الممكن تحقيقهما

من المهم التمييز بين دقة "الحالة الخضراء" بعد الطباعة مباشرة ودقة "الحالة الملبدة" النهائية. تمر جميع الأجزاء السيراميكية بتقلص غير خطي أثناء إزالة المادة الرابطة والتلبيد، يتراوح عادة بين 15% و25%، ويجب تعويضه بدقة في نموذج CAD الأصلي.

• طرق الليثوغرافيا (LCM): توفر أعلى دقة وأفضل تشطيب سطحي، ويمكن أن تحقق:

  • سماكة الطبقة: 25 – 50 ميكرون.

  • دقة التفاصيل: حتى 100 – 200 ميكرون.

  • الدقة النهائية بعد التلبيد: مع تعويض التقلص بدقة، يمكن تحقيق تسامح قدره ±0.1% (بحد أدنى ±50 ميكرون) في الميزات الحرجة، مع تشطيب سطحي ناعم جدًا قد يُغني عن المعالجة اللاحقة.

• الطباعة بنفث الموثق (Binder Jetting): تقدم دقة أقل بسبب حجم الجسيمات وتوزيع الموثق.

  • سماكة الطبقة: 50 – 100 ميكرون.

  • دقة التفاصيل: عادة أكبر من 500 ميكرون.

  • الدقة النهائية بعد التلبيد: التسامحات تتراوح عادة بين ±0.3% إلى ±0.5%.

• نفث المادة (NPJ): يحقق دقة وجودة سطح منافسة لتقنيات الليثوغرافيا، مع تفاصيل دقيقة وتشطيب عالي الجودة.

اعتبارات هندسية وحدود التقنية

1. التقلص غير المتجانس: يختلف التقلص باختلاف هندسة الجزء. الجدران الرقيقة والكتل الكثيفة قد تتلبد بمعدلات مختلفة، مما يؤدي إلى تشوهات. وهذا أكبر تحدٍ لتحقيق دقة عالية.

2. المعالجة اللاحقة للدقة: لتحقيق تسامحات دقيقة مماثلة لـتشغيل CNC، تتطلب الأجزاء السيراميكية الملبدة عادة تشغيلًا ثانويًا بأدوات ماسية مثل الطحن باستخدام CNC، وهو إجراء شائع لتحقيق الأسطح الدقيقة والمنافذ عالية الدقة.

3. موازنة الحجم مع الدقة: محاولة زيادة حجم البناء تؤدي غالبًا إلى انخفاض الدقة ومعدل النجاح، حيث يصبح من الصعب طباعة وتلبيد أجزاء سيراميكية كبيرة دون تشقق أو تشوه.

4. التصميم وفقًا للعملية: يتطلب النجاح في الطباعة السيراميكية تصميمًا مخصصًا يتضمن حواف منحنية، وتجنب الزوايا الحادة، وفهم تأثير اتجاه الطباعة والدعامات على النتيجة النهائية بعد التلبيد.

باختصار، رغم أنه لا يمكن طباعة كتلة محرك كاملة من السيراميك، إلا أن هذه التقنية مثالية لإنتاج مكونات متوسطة الحجم معقدة هندسيًا مثل فوهات كربيد السيليكون (SiC) أو زركونات طبية (ZrO₂)، مع ميزات ودقة يصعب تحقيقها بأي طريقة تصنيع أخرى.