النماذج الأولية السريعة

النماذج الأولية السريعة هي مجموعة من التقنيات المستخدمة لتصنيع جزء مادي جديد بسرعة لاستخدامه في الاختبارات الأولية للمنتج. يُصمم النموذج باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب ( CAD ). ^{[ 1 ] [ 2 ]} عادةً ما يتم تصنيع الجزء باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد . ^{[ 3 ]}

أصبحت أولى طرق النماذج الأولية السريعة متاحة في منتصف عام 1987، واستُخدمت لإنتاج نماذج وأجزاء أولية . واليوم، تُستخدم هذه الطرق في نطاق واسع من التطبيقات، وتُستخدم لتصنيع أجزاء بجودة إنتاجية عالية بأعداد صغيرة نسبيًا عند الرغبة، دون التكاليف الاقتصادية غير المواتية المعتادة في الإنتاج قصير الأجل. ^{[ 4 ]} وقد شجع هذا الوضع الاقتصادي ظهور مكاتب الخدمات الإلكترونية. تبدأ الدراسات التاريخية لتقنية النماذج الأولية السريعة ^{[ 2 ]} بمناقشات حول تقنيات إنتاج المحاكاة التي استخدمها النحاتون في القرن التاسع عشر. ويستخدم بعض النحاتين المعاصرين هذه التقنية المشتقة لإنتاج معارض وأعمال فنية متنوعة. ^{[ 5 ]} وقد أدت القدرة على إعادة إنتاج التصاميم من مجموعة بيانات إلى ظهور قضايا تتعلق بالحقوق، حيث أصبح من الممكن الآن استيفاء البيانات الحجمية من الصور ثنائية الأبعاد.

كما هو الحال مع طرق التصنيع الطرحي باستخدام الحاسوب (CNC) ، تبدأ عملية التصميم والتصنيع بمساعدة الحاسوب (CAD / CAM) في عملية النماذج الأولية السريعة التقليدية بإنشاء بيانات هندسية، إما كجسم ثلاثي الأبعاد باستخدام محطة عمل CAD، أو كشرائح ثنائية الأبعاد باستخدام جهاز مسح ضوئي. في عملية النماذج الأولية السريعة، يجب أن تمثل هذه البيانات نموذجًا هندسيًا صالحًا؛ أي نموذجًا تحيط أسطحه الخارجية بحجم محدود، ولا تحتوي على أي ثقوب تكشف عن الداخل، ولا تنطوي على نفسها. ^{[ 6 ]} بعبارة أخرى، يجب أن يكون للكائن "داخل". يكون النموذج صالحًا إذا استطاع الحاسوب، لكل نقطة في الفضاء ثلاثي الأبعاد، تحديد ما إذا كانت تلك النقطة تقع داخل سطح النموذج الخارجي، أو عليه، أو خارجه. تقوم معالجات ما بعد التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) بتقريب الأشكال الهندسية الداخلية لموردي التطبيقات (مثل B-splines) بصيغة رياضية مبسطة، والتي يتم التعبير عنها بدورها بتنسيق بيانات محدد وهو سمة شائعة في التصنيع الإضافي : تنسيق ملف STL ، وهو معيار فعلي لنقل النماذج الهندسية الصلبة إلى آلات SFF. ^{[ 7 ]}

للحصول على مسارات التحكم في الحركة اللازمة لتشغيل آلية التصنيع السريع للنماذج الأولية أو الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي ، يتم عادةً تقسيم النموذج الهندسي المُجهز إلى طبقات، ويتم مسح الشرائح ضوئيًا إلى خطوط (مما ينتج عنه "رسم ثنائي الأبعاد" يستخدم لتوليد المسار كما هو الحال في مسار أداة CNC )، مما يحاكي بشكل عكسي عملية البناء المادي طبقة تلو الأخرى.

يُستخدم النمذجة السريعة على نطاق واسع في هندسة البرمجيات لتجربة نماذج أعمال جديدة وهياكل تطبيقات مبتكرة، كما هو الحال في قطاعات الطيران والفضاء، والسيارات، والخدمات المالية، وتطوير المنتجات، والرعاية الصحية. ^{[ 8 ]} تعتمد فرق التصميم والتصنيع في قطاع الطيران والفضاء على النمذجة السريعة لابتكار منهجيات تصنيع إضافية جديدة. وباستخدام تقنية الطباعة المجسمة (SLA) ، يمكنهم إنتاج نسخ متعددة من مشاريعهم في غضون أيام قليلة، والبدء في اختبارها بسرعة أكبر. ^{[ 9 ]} تُمكّن النمذجة السريعة المصممين والمطورين من تكوين فكرة دقيقة عن شكل المنتج النهائي قبل استثمار الكثير من الوقت والمال في النموذج الأولي. كما تُتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في النمذجة السريعة إمكانية الطباعة الصناعية ثلاثية الأبعاد، مما يسمح بإنتاج قوالب كبيرة الحجم لقطع الغيار بسرعة فائقة خلال فترة زمنية قصيرة. ^{[ 10 ]}

• الطباعة المجسمة (SLA) ^{[ 11 ]} → بوليمر ضوئي معالج بالليزر لمواد مثل البوليمرات الضوئية الشبيهة باللدائن الحرارية.
• التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) ^{[ 11 ]} → مسحوق متلبد بالليزر لمواد مثل النايلون أو TPU.
• التلبيد المباشر للمعادن بالليزر (DMLS) ^{[ 11 ]} → مسحوق معدني ملبد بالليزر لمواد مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم والكروم والألومنيوم.
• نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) ^{[ 11 ]} → عمليات البثق المنصهر للخيوط مثل ABS و PC و PPCU.
• تقنية الدمج متعدد النفاثات (MJF) ^{[ 11 ]} → هي عبارة عن دمج انتقائي لمصفوفة نفاثات الحبر عبر طبقة من مسحوق النايلون للنايلون الأسود 12 .
• PolyJet (PJET) ^{[ 11 ]} → هو بوليمر ضوئي نفاث معالج بالأشعة فوق البنفسجية للعمل مع البوليمرات الضوئية القائمة على الأكريليك والبوليمرات الضوئية المرنة.
• آلة التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) ^{[ 11 ]} → يتم استخدامها لمعالجة المواد البلاستيكية الحرارية والمعادن ذات الدرجة الهندسية.
• التشكيل بالحقن (IM) ^{[ 11 ]} → يتم الحقن باستخدام قوالب الألومنيوم ويستخدم للمواد البلاستيكية الحرارية والمعادن ومطاط السيليكون السائل.
• الصب الفراغي → هو عملية تصنيع تستخدم لإنشاء نماذج أولية عالية الجودة وكميات صغيرة من الأجزاء.

في سبعينيات القرن العشرين، قام جوزيف هنري كوندون وآخرون في مختبرات بيل بتطوير نظام تصميم الدوائر يونكس (UCDS)، مما أدى إلى أتمتة المهمة الشاقة والمعرضة للأخطاء المتمثلة في تحويل الرسومات يدويًا لتصنيع لوحات الدوائر لأغراض البحث والتطوير. ^{[ 12 ]}

بحلول ثمانينيات القرن العشرين، اضطر صانعو السياسات ومديرو الصناعة في الولايات المتحدة إلى إدراك تراجع هيمنة أمريكا في مجال تصنيع أدوات الآلات ، فيما عُرف بأزمة أدوات الآلات. وسعت مشاريع عديدة لمواجهة هذه التوجهات في مجال التصنيع بمساعدة الحاسوب ( CAM) التقليدي ، الذي بدأ في الولايات المتحدة. لاحقًا، عندما انتقلت أنظمة النماذج الأولية السريعة من المختبرات إلى السوق التجارية، أُدرك أن التطورات أصبحت عالمية بالفعل، وأن شركات النماذج الأولية السريعة الأمريكية لن تملك ترف تفويت أي فرصة للريادة. وقد مثّلت المؤسسة الوطنية للعلوم مظلةً لوكالة ناسا ، ووزارة الطاقة الأمريكية ، ووزارة التجارة الأمريكية ، والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ( NIST ) ، ووزارة الدفاع الأمريكية ، ووكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة ( DARPA )، ومكتب البحوث البحرية، حيث نسّقوا دراساتٍ لإثراء مداولات المخططين الاستراتيجيين. أحد هذه التقارير هو تقرير لجنة النماذج الأولية السريعة في أوروبا واليابان لعام 1997 ^{[ 2 ]} والذي يقدم فيه جوزيف ج. بيمان ^{[ 13 ]} مؤسس شركة DTM [أداة DTM السريعة في الصورة] منظورًا تاريخيًا:

يمكن تتبع جذور تقنية النماذج الأولية السريعة إلى ممارسات في علم التضاريس والنحت الضوئي. ففي مجال التضاريس، اقترح بلانثر (1892) طريقة متعددة الطبقات لصنع قالب لخرائط التضاريس الورقية البارزة. وتضمنت هذه العملية قص خطوط الكنتور على سلسلة من الألواح التي تم تكديسها. واقترح ماتسوبارا (1974) من شركة ميتسوبيشي عملية تضاريسية باستخدام راتنج بوليمر ضوئي متصلب ضوئيًا لتشكيل طبقات رقيقة مكدسة لصنع قالب صب. أما النحت الضوئي، فكان تقنية من القرن التاسع عشر لإنشاء نسخ ثلاثية الأبعاد دقيقة للأشياء. ومن أشهرها فرانسوا ويليم (1860) الذي وضع 24 كاميرا في مصفوفة دائرية وقام بتصوير جسم ما في وقت واحد. ثم استُخدمت صورة ظلية لكل صورة لنحت نسخة طبق الأصل. وطوّر موريؤكا (1935، 1944) عملية هجينة تجمع بين النحت الضوئي والتضاريس باستخدام الضوء المنظم لإنشاء خطوط الكنتور لجسم ما فوتوغرافيًا. يمكن بعد ذلك تحويل الخطوط إلى صفائح وقصها وتكديسها، أو إسقاطها على مادة خام للنحت. وقد أنتجت عملية مونز (1956) صورة ثلاثية الأبعاد لجسم ما عن طريق تعريض مستحلب ضوئي، طبقة تلو الأخرى، بشكل انتقائي على مكبس هابط. بعد التثبيت ، تحتوي أسطوانة شفافة صلبة على صورة الجسم.

نشأت تقنية النماذج الأولية السريعة (RP) من صناعة التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) المتنامية باستمرار، وتحديدًا من جانب النمذجة الصلبة في هذه الصناعة. قبل ظهور النمذجة الصلبة في أواخر ثمانينيات القرن الماضي، كانت النماذج ثلاثية الأبعاد تُصنع باستخدام هياكل سلكية وأسطح. ولكن لم يتسنَّ تطوير عمليات مبتكرة مثل النماذج الأولية السريعة إلا بعد تطوير النمذجة الصلبة الحقيقية. وقد طوّر تشارلز هول، الذي ساهم في تأسيس شركة 3D Systems عام 1986، أول عملية للنماذج الأولية السريعة. تُعرف هذه العملية باسم الطباعة المجسمة، وتعتمد على بناء الأجسام من خلال معالجة طبقات رقيقة متتالية من راتنجات سائلة حساسة للأشعة فوق البنفسجية باستخدام ليزر منخفض الطاقة. ومع ظهور النماذج الأولية السريعة، أصبحت النماذج الصلبة المصممة باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) قابلة للتجسيد بشكل كامل. ^{[ 15 ]}

تُعرف التقنيات التي تُسمى بالتصنيع الحر للأشكال الصلبة بما نعرفه اليوم باسم النماذج الأولية السريعة، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد، أو التصنيع بالإضافة : فقد عمل كل من سوانسون (1977) وشويرزل (1984) على بلمرة بوليمر حساس للضوء عند تقاطع شعاعين ليزريين يتم التحكم فيهما بواسطة الحاسوب . ودرس سيرو (1972) الترسيب المغناطيسي الساكن أو الكهروستاتيكي باستخدام شعاع إلكتروني أو ليزر أو بلازما لتكسية الأسطح الملبدة. وقد طُرحت جميع هذه المقترحات، ولكن من غير المعروف ما إذا كانت قد بُنيت آلات عاملة. وكان هيديو كوداما من معهد ناغويا البلدي للبحوث الصناعية أول من نشر وصفًا لنموذج صلب تم تصنيعه باستخدام نظام النماذج الأولية السريعة للبوليمر الضوئي (1981). ^{[ ٢ ]} في أبريل ١٩٩٢، أنتجت شركة ستراتاسيس أول نظام سريع للنماذج الأولية ثلاثية الأبعاد يعتمد على تقنية الترسيب المنصهر (FDM)، إلا أن براءة الاختراع لم تُمنح إلا في ٩ يونيو ١٩٩٢. وقدّمت شركة ساندرز بروتوتايب أول طابعة ثلاثية الأبعاد نافثة للحبر (3DP) لسطح المكتب، مستخدمةً اختراعًا يعود إلى ٤ أغسطس ١٩٩٢ (هيلينسكي)، وهو برنامج موديل ميكر ٦ برو (Modelmaker 6Pro) في أواخر عام ١٩٩٣، ثم الطابعة الصناعية الأكبر حجمًا، موديل ميكر ٢ (Modelmaker 2)، في عام ١٩٩٧. ^{[ ١٦ ]} وفي عام ١٩٩٥، طرحت شركة زد كورب (Z-Corp) منتجها في السوق، مستخدمةً تقنية ربط مسحوق الطباعة ثلاثية الأبعاد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) لتقنية الصب المباشر للقوالب (DSP)، التي طُوّرت عام ١٩٩٣. ^{[ ١٧ ]} وحتى في ذلك الوقت المبكر، كان يُنظر إلى هذه التقنية على أنها ذات أهمية في مجال التصنيع. فقد كان للمنتجات ذات الدقة المنخفضة والقوة المحدودة قيمة في التحقق من التصميم، وصناعة القوالب، وتجهيزات الإنتاج، وغيرها من المجالات. وقد تطورت هذه المنتجات باستمرار نحو استخدامات ذات مواصفات أعلى. ^{[ 18 ]} بدأت شركة Sanders Prototype, Inc. (Solidscape) كشركة مصنعة للطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية النماذج الأولية السريعة، حيث تستخدم طابعة Modelmaker 6Pro لإنتاج نماذج بلاستيكية حرارية قابلة للاستهلاك من نماذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، وذلك باستخدام تقنية الطباعة النفاثة للحبر أحادية الفوهة عند الطلب (DOD). ^{[ 17 ]}

يركز البحث في مجال النماذج الأولية السريعة على زيادة سرعات الإنتاج وتكييف التكنولوجيا لتطبيقات التصنيع بكميات كبيرة. ^{[ 19 ]} وكما هو الحال مع تقنيات التحكم الرقمي بالحاسوب ، فقد أدى تطوير البرمجيات مفتوحة المصدر إلى إنشاء سلسلة أدوات متكاملة للتصميم والتصنيع بمساعدة الحاسوب ( CAD - CAM ) . وقد دعم ذلك مجتمعًا من المصنّعين الذين ينتجون أجهزة منخفضة الدقة. كما توسع استخدام الهواة ليشمل تصميمات أكثر تعقيدًا تعتمد على الليزر. ^{[ 20 ]}

أُعدّت أول قائمة لعمليات الطباعة السريعة أو تقنيات التصنيع، والتي نُشرت عام ١٩٩٣، من تأليف مارشال بيرنز، وتشرح كل عملية منها شرحًا وافيًا. كما تُشير إلى بعض التقنيات التي سبقت التقنيات المذكورة في القائمة أدناه. على سبيل المثال: أنتجت شركة فيجوال إمباكت نموذجًا أوليًا لطابعة ترسيب الشمع، ثم رخصت براءة الاختراع لشركة ساندرز بروتوتايب. استخدمت شركة بي بي إم نفس طابعات الحبر والمواد. ^{[ ٢١ ]}

يُسرّع هذا الأسلوب عملية تصميم أي منتج، إذ يسمح بإنشاء نماذج أولية منخفضة الدقة وأخرى عالية الدقة ^{[ 22 ]} ، مما يُتيح التنبؤ بالتعديلات اللازمة قبل بدء الإنتاج النهائي. ونتيجةً لذلك، يُقلل أيضًا من تكاليف الإنتاج الإجمالية لتطوير المنتج ^{[ 22 ]} ، ويُتيح اختبار الوظائف بتكلفة أقل بكثير من التكلفة المعتادة. كما يُزيل مخاطر إصابة فريق التصميم وتلف النموذج الأولي أثناء عملية النمذجة. ويُتيح أيضًا للمستخدمين أو مجموعات التركيز المشاركة في عملية التصميم من خلال التفاعل مع كل نموذج أولي، بدءًا من النموذج الأولي وحتى النموذج النهائي. على سبيل المثال: عملية تصنيع أدوات سريعة تعتمد على نماذج أولية مصنعة باستخدام آلات CNC، مما يُقلل من تكلفة تصنيع القوالب، ويُقصر دورة تصنيعها، ويُسهل تطبيق عملية تصنيع القوالب، بالإضافة إلى مزايا أخرى. علاوة على ذلك، فهي طريقة مثالية لاختبار بيئة العمل ^{[ 23 ]} والقياسات البشرية ( العوامل البشرية ) بحيث يكون المنتج المصمم قادرًا على تلبية احتياجات المستخدم ويقدم تجربة استخدام فريدة.

على الرغم من المزايا العديدة التي يوفرها النمذجة السريعة، إلا أن من سلبياتها احتمال انخفاض الدقة ^{[ 23 ]} ، إذ لا يمكن ضمان جودة النموذج الأولي أو توافق مكوناته المختلفة بشكل جيد نظرًا لوجود هامش خطأ في أبعاد النموذج ثلاثي الأبعاد. كما أن التكلفة الأولية لاستخدام هذه التقنية الإنتاجية قد تكون مرتفعة بسبب التكنولوجيا المستخدمة ^{[ 23 ] . وقد تحدّ هذه التقنية من نطاق المواد [ 23 ]} التي يمكن تصنيع المنتج بها، وقد تتطلب عمالة ماهرة حسب مستوى تعقيد التصميم .

• رايت، بول كينيث (2001). التصنيع في القرن الحادي والعشرين . نيوجيرسي: برنتيس هول . ISBN 978-0130956019. OCLC 43836655 – عبر Archive.org .