الطابعة
الثلاثية
الأبعاد ( 3D Printer )
الطابعة الثلاثية الأبعاد ( Dimensional Printer Three ) :
= آلة توجه بواسطة الحاسوب ، وتصنع مجسمات حقيقية للأشياء المراد طبعها مثل ( الآلات ، الأدوات ، القطع ، المعدات ، وغيرها ) .
= تعمل على طباعة الأجسام وفق إبعادها التكعيبية ( الطول ، العرض ، الإرتفاع ) . لتتميز بذلك عن الطابعة ثنائية الأبعاد ، التي تقدم صور أو مخططات مسطحة للأشياء وفق بعدين فقط ( الطول والعرض ) .
= تقوم الطابعة الثلاثية الأبعاد بصناعة الأجسام بطريقة التصنيع التجميعي ( Additive Manufacturing ) ، أو اختصاراً A D . وهو المصطلح الذي اعتمدته الجمعية الأمريكية للإختبار والمواد .
= ابتكرت طريقة التصنيع التجميعي في الثمانينات ، وتعتمد على طباعة الأجسام وفق المقاطع العرضية ( توضع طبقات متتالية من المادة المصنعة فوق بعضها ، طبقةً تلو أخرى ) .
= تتنوع المواد المستخدمة في الطابعات ( شمع ، بلاستيك ، جبس ، خزف ، معدن ، وغيرها ) بحسب الغرض المراد تصنيعه .
= يوجد في كل طابعة ثلاثية الأبعاد تقنية تحكم بالألوان ( تنجز برأس خاص يعطي اللون المطلوب للغرض المصنّع ) .
أولاً – فكرة الطابعة ثلاثية الأبعاد :
= بدأت فكرة صناعة أجهزة قادرة على تصنيع أجسام ثلاثية الأبعاد في الستينات .
= ثم اتضحت معالم الفكرة بفضل الأبحاث التي قام بها العالم الياباني هيديو كوداما ( Hideo Kodama ) في معهد ناغويا للبحوث الصناعية ، ونشرها أواخر عام 1981 .
حيث أشار إلى نجاحه في إبتكار أجسام ثلاثية الأبعاد بتسليط أشعة ضوئية فوق بنفسجية على سائل الراتنج لتحويله إلى جسم صلب .
= ثم اخترع العالم الأمريكي تشاك هال ( Chuck Hull ) أول جهاز رقمي متطور قادر على صناعة أجسام ثلاثية الأبعاد من مواد سائلة تتصلب عند تعرضها لضوء الليزر عام 1984 .
وأطلق على تلك التقنية المبتكرة ( الطباعة الحجرية المجسمة ) أو SLA ( Stereolithography ) ، ثم حصل على براءة اختراع لهذا الجهاز عام 1986 .
= كما نجح العالم الأمريكي كارل ديكارد ( Carl Deckard ) الباحث في جامعة تكساس في اختراع طابعة ثلاثية الأبعاد ، تعمل بتقنية التلبيد الإنتقائي بالليزر ( SLS ) أو ( Selective Laser Sintering ) .
وسجل براءة اختراعه عام 1987 . ثم أسس تشاك هال شركة ثري دي سيستمز ( 3 D Systems) في ولاية ساوث كارولينا ، التي طرحت في الأسواق أول طابعة تجارية ثلاثية الأبعاد عام 1988 .
= بعدها حصل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (Massachusetts Institute of Technology ) أو M I T ، على براءة اختراع لطابعة ليزرية ثلاثية الأبعاد عالية التطور عام 1993 .
تميزت طابعة معهد M I T المبتكرة باستخدام المساحيق ( مسحوق المعدن ، مسحوق الخزف ) ، لصناعة المجسمات .
= ثم تتالت الأبحاث والدراسات ، ودخلت شركات عالمية عديدة في منافساتٍ محتدمة لتطوير هذه الأجهزة العالية التقنية بهدف تصنعيها على نحوٍ أكثر جودة ، وأرخص ثمناً .
= ليزداد الطلب على هذه الطابعات المتطورة ومنتجاتها العالية الجودة ، ويبلغ حجم السوق العالمي للأجهزة الطبية المطبوعة ثلاثية الأبعاد نحو 4.74 مليار دولار عام 2024 .
= ومن المتوقع أن يرتفع حجم هذا السوق بشكل كبير في السنوات القادمة ليصل بحلول عام 2034 ، إلى نحو 24.69 مليار دولار .
ثانياً – طرق الطباعة الثلاثية الأبعاد :
تنجز الطباعة الثلاثية الأبعاد ( D Printing 3 ) بأربع طرق كالتالي :
آ – طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد المباشرة ( D Printing 3 Direct ) :
تعمل بطريقة نفث السائل المستخدمة في الطابعات ثنائية الأبعاد ، لكن عملية الطباعة بالطابعة الثلاثية ( D P 3 ) تختلف عن الطباعة بالطابعة الثنائية ( D P 2 ) بأمرين :
1- تعبأ الطابعة الثلاثية بمادة سائلة قابلة للتصلب ( شمعية ، بلاستيكية ، وغيرها ) ، بدلاً من الحبر .
2- الجزء الطابع يتحرك باتجاهين أفقي ( يسار / يمين ) ، وشاقولي ( علوي / سفلي ) ، بدلاً من اتجاه فقط ( أفقي ) .
ب – طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد المعتمدة على الرابط ( D Printing 3 Binder) :
تعمل بنفس طريقة عمل الطابعة ثلاثية الأبعاد المباشرة ( فوهات تنفث السوائل لتشكيل طبقات متتالية من المادة المطبوعة ) ، لكنها تختلف عنها :
= باستخدامها مادتين مختلفتين ( صلبة بشكل مسحوق ، وسائلة بشكل جل ) ، عكس الطابعة المباشرة التي تنفث مادة واحدة سائلة .
= تطبع الطابعة ذات الرابط كل طبقة من طبقات المادة المصنعة عبر مرورين ( أحدهما لنفث المسحوق ، والآخر لنفث السائل ) .
ج - طريقة البلمرة الضوئية ( Photopolymerization ) :
= تتم بتسليط شعاع ليزري أو شعاع ضوئي ( من الأشعة فوق البنفسجية ) على قطرات من البلاستيك السائل لتصليبها وتكوين مجسمات بلاستيكية صلبة ( تطابق الأشكال المصممة المراد تصنيعها ) .
= يسلط الشعاع الليزري على السائل البلاستيكي على عدة مراحل ، لتشكيل كل طبقة من طبقات المادة المراد تصنيعها على حدا ، قبل الإنتقال لتصليب الطبقة التالية .
د - طريقة تجميع الجزيئات ( Sintering ) :
= تتم بتسليط نوع من الأشعة الليزرية ( Laser Form A 6 ) على جسم صلب ( معدن ، بلاستيك مقاوم للإشتعال ) ، لصهره أو إذابته ، ثم إعادة تشكيله .
= تستخدم لصناعة الآلات المعدنية بطبع المادة المراد تصنيعها طبقة تلو أخرى .
ثالثاً – استخدامات الطابعة ثلاثية الأبعاد :
آ- تستخدم في الصناعات الثقيلة ( الطائرات ، السيارات ، الأليات ، وغيرها ) .
ب - تستخدم في الصناعات الخفيفة ( الألعاب ، الأثاث ، الأحذية ، المجوهرات ، وغيرها ) .
ج- تستخدم في مجال الطب لصناعة ( الأدوات الجراحية ، الأطراف الإصطناعية ، العظام ، وغيرها ) .
د – تستخدم في مجال طب الأسنان لصناعة ( الأسنان الإصطناعية ، تيجان الأسنان ، الجسور الثابتة ، الأجهزة التقويمية الشفافة ، وغيرها ) .
ه – تستخدم في مجالات أخرى متنوعة منها : ( الفضاء ، الهندسة ، الفن ، الأزياء ، وغيرها ) .
رابعاً – جهاز الحاسوب الموجه لعمل الطابعة ثلاثية الأبعاد :
حققت تقنية ( D Printing & 3 CAD / CAM ) ، أو العمل المنجز بالطابعة الرقمية الثلاثية الأبعاد الموجهة بواسطة الكومبيوتر نجاحات كبرى في مجالي التصميم ، والتصنيع ثلاثي الأبعاد .
وتقوم هذه المنظومة بعملها وفق برنامجين :
آ – برنامج التصميم أو كاد (CAD ) : Computer Aided Desigening
يشير مصطلح (CAD ) إلى عملية التصميم بمساعدة الكومبيوتر .
هو برنامج حاسوبي يستخدم المعلومات والبيانات المدخلة إلى الكومبيوتر ، لإنجاز تصاميم ثلاثية الأبعاد للأشياء المراد تصنيعها ( أجهزة ، أدوات ، قطع ) وغيرها .
ب – برنامج التصنيع أو كام ( CAM) : Computer Aided Manufacturing
يشير مصطلح ( CAM) إلى عملية التصنيع بمساعدة الكومبيوتر .
هو برنامج حاسوبي يستخدم التحكم العددي لصياغة شيفرة مفصلة تدفع الآلات للعمل والتصنيع وفق التصميمات المبتكرة .
يمكن بواسطته التحكم بعمل كثير من الآلات المستخدمة في الصناعات المختلفة ( تختلف باختلاف نوع التركيب أو الأداة أو الجسم المراد تصنيعه ) .
خامساً – استخدامات الطابعة ثلاثية الأبعاد في المجال الطبي :
آ = تصنيع المنتجات التعويضية :
تعمل الطابعات الثلاثية الأبعاد وفق معطيات التصوير الطبي الرقمي للمرضى ( التصوير المقطعي الحاسوبي ، التصوير بالرنين المغناطيسي ، وغيرها ) لتصنيع عدة منتجات تعويضية لهم تشمل :
1 = غرسات العظام :
آ- الغرسات الجراحية ( مفاصل الورك ، فقرات متضررة في العمود الفقري ) ، وتصنع غالباً من المعادن كالتيتانيوم .
ب- الجمجمة الإصطناعية ( أجزاء مصنعة للتعويض عن بعض عظام الجمجمة التالفة ) .
وتمتاز الغرسات المصنعة بالطابعات الثلاثية بملائمتها الممتازة لجسم المريض من الناحيتين :
آ- الحيوية : مما يقلل احتمال الرفض والإصابة بالإلتهابات ، ويزيد توافقها مع ميكانيكية العظام .
ب- التشريحية : مما يحسن المظهر العام للمنطقة المصابة ( خاصة منطقة الوجه ) .
2 = الأطراف الإصطناعية :
= تصنع الطابعات الثلاثية الأبعاد أطراف إصطناعية تعويضية ( تعوض عن الأطراف الطبيعية التي يفقدها الإنسان بسبب الحوداث الطارئة أو الأمراض المزمنة ) عالية الجودة .
= تحقق منتجات الطابعات الثلاثية الأبعاد راحة جسدية ونفسية أكبر للمستخدم لتميزها على نظيرتها الإصطناعية التقليدية الجاهزة بعدة نواحي منها :
آ- القوام المصنّع من مواد ملائمة حيوياً ، خفة الوزن ، المرونة .
ب- التصميم المتميز الملبي للإحتياجات الخاصة بكل مريض ( عكس نظيرتها الجاهزة المحددة المقاسات ) .
3 = المطبوعات الحيوية للأعضاء البشرية :
= تنجز الطباعة الحيوية للخلايا والأنسجة البشرية بواسطة طابعات ثلاثية الأبعاد عالية التطور تستخدم الأحبار الحيوية ( المكونة من خلايا حية ، وهلاميات مائية ) .
= تصنّع نماذج حيوية مشابهة للأعضاء البشرية من حيث ( الشكل التشريحي ، التركيب النسيجي ، العمل الوظيفي ) ، لاستخدامها في إصلاح أعضاء وأنسجة الجسم التالفة مثل :
آ- صناعة جلد مطبوع حيوياً ( يشبه الجلد الطبيعي للإنسان ) لمعالجة عدة حالات من الإلتهابات الجلدية .
ب- صناعة نماذج مطبوعة حيوياً للحنجرة والرغامى ، لتمكين الجراح من استئصال الأجزاء المتضررة من هذه الأعضاء والتعويض عنها بأجزاء مطبوعة ، مع الحفاظ على باقي نسجها السليمة .
= لاتزال تواجه الطباعة الحيوية عدة صعوبات منها :
آ- تأمين شبكة شعيرات دموية دقيقة داخل العضو المطبوع تضمن ترويته بالدم الكافي لإمداده بالأوكسجين والمواد المغذية ، كي يقوم بوظائفه كالعضو الطبيعي .
ب- تأمين إندماج نسج العضو المطبوع مع الجسم تجنباً لرفضه .
ب = تصنيع المنتجات التدريبية :
يمكن الإستفادة من الطابعات الثلاثية الأبعاد في تصنيع نماذح تشريحية دقيقة لأعضاء الجسم من أجل :
1= مساعدة الجراحين الممارسين في التخطيط للأعمال الجراحية المعقدة ، مما يجنبهم أي مشاكل في غرف العمليات .
2= تحسين المهارات التدريبية للجراحين الجدد ، مما يساعدهم لاحقاً في إجراء عمليات جراحية معقدة بمهارة عالية .
ج = تصنيع عدد من المعدات الطبية :
يمكن الإستفادة من الطابعات الثلاثية الأبعاد في تصنيع أدوات ومعدات طبية عديدة مثل :
1 = الأدوات الجراحية :
أتاحت الطابعة الثلاثية الأبعاد تصنيع أدوات جراحية مخصصة لكل مريض ( مصممة بطريقة تناسب العضو المهيئ للجراحة من الناحيتين التشريحية والمرضية ) بهدف تسهيل العمل الجراحي وزيادة دقته .
2 = الدعامات القلبية :
= أتاحت الطابعة الثلاثية الأبعاد تصنيع دعامات قلبية ( أنابيب شبكية دقيقة تستخدم لفتح الشرايين من الداخل ) قادرة على الذوبان داخل الجسم بشكل طبيعي بعد إنجازها وظيفتها في إعادة تدفق الدم إلى القلب .
= تصنع الدعامات القلبية الحيوية من بوليمير حيوي ( حمض البولي لاكتيك ) متوافق مع الجسم يمكنه التحلل داخله بعد فترة زمنية معينة دون ترك أية أثار جانبية .
= تمتاز الدعامات القلبية الحيوية عن الدعامات المعدنية التقليدية بعدة مزايا هامة منها :
آ- تناسب كل مريض على حدة . ب- تتكيف مع نمو الأوعية الدموية لدى الأطفال . ج- لا تتطلب عمليات جراحية لإزالتها .
3 = أجهزة الأذن :
آ- سماعات الأذن : أتاحت الطابعة الثلاثية الأبعاد تصنيع سماعات أذن عالية الجودة ( تناسب كل مريض على حدة ) .
تصنع السماعات بتقنية المسح الرقمي للأذن التي تؤمن إنتاج قالب أذن دقيق ( مقارنة بالسماعات التقليدية التي تتطلب أخذ طبعات لتصميم قوالبها ) .
ب- سدادات الأذن : أتاحت الطابعة الثلاثية الأبعاد صناعة سدادات أذن واقية من الضوضاء ملائمة للعاملين في بيئات صاخبة ( الموسيقيين ، العسكريين ، عمال المصانع وغيرهم ) .
تعتبر سدادات الأذن المطبوعة أكثر حماية وراحة من سدادات الأذن التقليدية ( لأن الطباعة الثلاثية تنتج قوالب عالية الدقة تطابق الشكل التشريحي لقناة السمع الخاصة بكل شخص ) .
سادساً – استخدامات الطابعة ثلاثية الأبعاد في طب الأسنان :
وفرت الطابعة ثلاثية الأبعاد حلولاً متكاملة للعديد من منتجات طب الأسنان :
= بدءاً بالحصول على البيانات الرقمية باستخدام :
- ماسحات ضوئية ثلاثية الأبعاد لداخل الفم (Intra Oral Scanners ) مخصصة للعيادات السنية .
- ماسحات ضوئية ثلاثية الأبعاد مخصصة للمختبرات ( Lab Scanners ) .
= مروراً بالتصميم المناسب للتعويضات السنية باستخدام برنامج ( CAD ) الإحترافي للأسنان :
= إنتهاءاً بتصنيع نماذج العمل ( Dental 3D Modles ) ، والتعويضات السنية النهائية بواسطة برنامج ( CAM ) الإحترافي للأسنان .
آ – تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد في طب الأسنان :
تعمل الطابعة السنية الثلاثية الأبعاد الموجهة بتقنية ( CAD / CAM ) على صناعة :
= التعويضات الثابتة : ( تيجان الأسنان ، الجسور الثابتة ، الزرعات السنية ) .
= التعويضات المتحركة : ( أطقم الأسنان الإصطناعية ) .
= الأجهزة التقويمية : ( أجهزة التقويم الشفافة Clear aligners ) .
ب - طريقة عملها :
حققت الطابعة السنية الثلاثية الأبعاد ( Dental 3 D Printer ) نقلة نوعية في مجال التعويضات السنية بنقلها جزءاً من أعمال مختبرات الأسنان إلى العيادات السنية لإنجازها بمساعدة الكومبيوتر .
مما وفر وقت الطبيب ، وأتاح له إنجاز عملٍ متعدد المراحل ( كان يتطلب عدة أيام ) ، خلال يومٍ واحد .
1 - الماسح الضوئي داخل الفم (Intra Oral Scanner ) :
= جهاز رقمي مزود بكاميرا ، يؤمن البيانات الثلاثية الأبعاد اللازمة للحاسوب .
= شكله يشبه القبضة التوربينية ، يدخل في الفم ويمرر فوق الأسنان واللثة وفي دهليز الفم وأسفل قبة الحنك . لإنجاز التصوير الماسح الثلاثي الأبعاد لكل من القوسين السنية ، والفكية .
= ينقل مجمل تفاصيل الفم بشكل رقمي إلى الكومبيوتر ، ويدعم الفحص السريري لوضع التشخيص النهائي للحالة دون الحاجة للإجراءات التقليدية الأخرى ( الصور الشعاعية ، الأمثلة الجبسية ، وغيرها ) .
2 – حاسوب ( CAD / CAM ) :
= كومبيوتر مبرمج يعمل وفق برامج حاسوبية خاصة مثل (Cerec ، Isus ، Delcam ) .
= تشكل البرامج تصاميم ثلاثية الأبعاد بدقة تامة وفق المعلومات المأخوذة من عملية المسح الضوئي ، باستخدام برنامج ( CAD ) الإحترافي للأسنان .
= ثم تشرف على تصنيع التعويضات السنية بحسب المواصفات المطلوبة ، وبجودة عالية بواسطة برنامج ( CAM ) الإحترافي للأسنان .
3 - الطابعة ثلاثية الأبعاد ( D Printer 3 ) :
= تتواجد بأنواع مختلفة منها جهاز Cerec الذي يعتبر أحد أبرز الطابعات ثلاثية الأبعاد العاملة وفق تقنية ( CAD / CAM ) .
= يستخدم جهاز Cerec لصناعة ترميم ( حشوة أو تاج ) ، أو تعويض ( جسر أمامي يشمل القواطع والأنياب والضواحك ، أي الإبتسامة الكاملة في الفك العلوي أو السفلي ) .
= تكون التعويضات المصنعة إما بشكل تيجان خزفية كاملة ، أو بشكل وجوه خزفية لاصقة رقيقة جداً ( تصل سماكتها إلى 0,3 ملم ) .
= تمتاز التعويضات المصنعة بالطابعة ثلاثية الأبعاد ، بأنها تعدل وتركب للمريض في جلسة واحدة .
ج – فوائدها :
1 = توفير الوقت :
توفر الوقت على المريض والطبيب معاً مقارنةً بالطرق التقليدية ( إذ لم يعد هناك حاجة لأخذ الطبعات السيليكونية ، ثم صبها بالجبس ، وإرسالها إلى المختبر لتصنيع التيجان والجسور ) .
2 = الجودة العالية :
تصنع الأعمال المطلوبة بجودة عالية مقارنةً مع نظيرتها المصنعة مخبرياً بالطرق التقليدية ( تطبق ضغط عالي على السيراميك ، فتجعله أكثر رقة وتجانساً الأمر الذي يصعب تحقيقه بأجهزة الصب الميكانيكية ) .
سابعاً - بعض الشركات العالمية المصنعة للطابعات الثلاثية الأبعاد المستخدمة طبياً :
|
متيريلايز ( Materialise NV ) البلجيكية |
|
|
ثري دي سيستمز ( 3D Systems ) الأمريكية |
|
|
ستراتاسيس ( Stratasys ) الأمريكية |
|
|
فورملابس (Formlabs ) الأمريكية |
|
|
أورغانوفو ( Organovo, Inc. ) الأمريكية |
|
|
سبرينتراي ( SprintRay ) الأمريكية |
|
|
كونيكا مينولتا ( Konica Minolta ) اليابانية |
|
|
سايفوز بيوميديكال ( Cyfuse Biomedical ) اليابانية |
|
|
رينيشو بي إل سي ( Renishaw PLC ) البريطانية |
|
|
أركام إي بي ( Arcam AB ) السويدية |
|
|
إي أو إس ( EOS GmbH ) الألمانية |
|
|
برودوايز غروب ( Prodways Group ) الفرنسية |
|
|
ليماكوربوريت (LimaCorporate ) الإيطالية |
|
|
أسيجا ( Asiga ) الأسترالية |
|
|
يونيون تك ( UnionTech ) الصينية |
