العلم دائماً في تطوّر، وتأخُّرنا عنه لا يعني وقوفه، وفي كل يوم نرى شيئاً جديداً أضيف للهرم الغريب للعلم، الذي يعلو بسرعة ولا ندري أين ستكون قمته؟ وهل ستكون له قمة؟ مع ذلك يقول الخالق عزّ وجلّ: (وَمَا أُوتِيتُمْ مِنْ الْعِلْمِ إِلاَّ قَلِيلاً).

إن العلم البسيط الذي وهبنا الله إياه، أوصلنا إلى إدراك ومعرفة ما يقع على بعد 13 مليار سنة ضوئية من كرتنا الأرضية، ومن يعرف ما هي الثانية الضوئية يعرف هول هذه المسافة، فالقمر يبعد عنا ثانية ضوئية فقط. لكن البشرية مع خروجها خارج حدود الأرض لم تنس تطوير ما بين يديها على سطح الأرض، والتقنيات التي نراها بين أيدينا اليوم هو خير دليل على ذلك.

تعتبر الطابعة الثلاثية الأبعاد نتيجة للفكر المفتوح المصدر (open-source) في عالم العتاد. والفكر المفتوح المصدر معروف في ثقافتنا العربية وهو (عدم كتمان العلم)، حيث يقول الرسول الكريم: من كتم علماً أَلْجَمَه الله يوم القيامة بلِجام من نار.

وجرت العادة أن تحتكر كل شركة بطريقة إنتاج منتجاتها، وتحتفظ بها بحيث لا يستطيع أحد الاطلاع عليها. وبالتالي يكون تطوير المنتج مختصراً على العاملين ضمن الشركة، لكن الشركة ليست صاحبة العلم المطلق، فقد تجد عند شخص يقع خارجها فكرة أفضل لتطوير ما تصممه وتنتجه. وبالتالي كان لا بد من كسر هذا الحاجز. ومع ذلك بقيت بعض الشركات على هذه الحالة للأسف.

وفي الغرب تطور مفهوم الفكر المفتوح المصدر ليأخذ اتجاهين :

• الاتجاه الأول: في عالم البرامج وسميت البرمجيات المفتوحة المصدر (open software)، فببساطة يأتي أحدهم بفكرة أو تصميم برنامج معين، وينشرها، ثم يأتي غيره ليطوّر البرنامج، قد يكون هذا الشخص أنت، أو أي شخص من أي دولة في العالم. ومن البرمجيات المفتوحة المصدر نظام التشغيل لينكس (Linux).

• الاتجاه الثاني: هو في عالم العتاد الصلب (open hardware)، وتكون الفكرة أيضاً مفتوحة على كل العالم، مرفقة بكافة ملفاتها، ويمكن لأي شخص أن يضيف أو يطوّر. ومن تطبيقات العتاد المفتوح المتحكم الصغري أردينو (Arduino)، كذلك الطابعة الثلاثية الأبعاد والتي هي موضوعنا في هذا الكتاب، حيث سيشرح لك كيفية بناء هذه الآلة.

إن الكتاب الذي بين يديك الآن، سيعلّمك كيف تبني طابعة ثلاثية الأبعاد (الشكل 1) لأي قطعة بلاستيكية تخطر في بالك، مع حدود معينة هي في حجم القطعة فقط، لأن الآلة لن تكون ضخمة كما سترى في خطوات البناء.

والطابعة الثلاثية الأبعاد هي شكل من أشكال الإنتاج الصناعي، من أجل إنشاء حجوم ثلاثية الأبعاد بواسطة طبقات متعاقبة من المواد. وقد تطورت لإنتاج قطع مختلفة يتم تجميعها فيما بعد لتحصل على أدوات تقوم بوظائف معينة، فهذه الطابعة قادرة حتى على طباعة نفسها.

ستقوم برسم النموذج المطلوب على حاسوبك، وعن طريق البرامج التي تربط بين الحاسوب والطابعة تستطيع أن تقوم بعملية الطباعة.

الشكل 1: الطابعة الثلاثية الأبعاد

والبيانات الرقمية الآتية من الحاسب تستخدمها الطابعة لعمل عدد من المقاطع العرضية، ثم تطبع الطبقة فوق الأخرى لإنشاء الكيان الثلاثي البعد. وتستطيع أن تحول الطابعة إلى آلة CNC وبخطوات بسيطة، لأن المبدأ واحد كما سترى لاحقاً.

وعند بحثك في الإنترنيت وخاصة في موقع www.youtube.com ستجد الإمكانيات الكبيرة للطابعات الثلاثية الأبعاد، فقد بدأت بطباعة القطع الصغيرة مثل ألعاب الأطفال، ثم تطورت أكثر لتنتج حتى دراجة هوائية مركوبة ومختبرة، ومن آخر إنتاجاتها ما فكر به المهندس المعماري الهولندي جانجاب روجسينارز، حيث يخطط لبناء "منزل أفقي الامتداد" (Landscape House) وهو مكون من طابقين ويأخذ شكل الرقم 8 وفق الكتابة الإنجليزية (الشكل 2).

الشكل 2: بناء منزل من طابقين باستخدام الطابعة الثلاثية الأبعاد

ويصف روجسينارز مشروعه على موقع إلكتروني بقوله "سطح واحد مطوي على شاكلة شريط موبيوس لا نهائي" حيث "الأرضيات تتحول إلى أسقف، من الداخل إلى الخارج" وكلمة "شريط موبيوس" (Mobius band) تعني المجسم ذو السطح الواحد والحافة الواحدة، أو هو سطح له جانب واحد فقط وحدود واحدة.

وسيتم إنتاج هذا المبنى باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد تدعى "دي - شايب" (D-Shape) اخترعها "إنريكو ديني" وهي تستخدم عمليات طباعة مجسمة بالرمل ومواد مساعدة للثني، بما يتيح للمعماريين صنع هياكل بناء يفترض أنها قوية كالخرسانة. وستقوم الطابعة بطبع آلاف الطبقات من الرمل لصنع كتل بمساحة 6×9 أمتار، والتي سيتم استخدامها لاحقا لتجميع المبنى. وفي حال كتب لهذا المشروع النجاح فإنه سيكون أول مبنى تطبعه طابعة ثلاثية الأبعاد، ويقدر له أن يتكلف ما بين خمسة وستة ملايين دولار، ويخطط هذا المهندس لإنجازه كليا بوقت ما عام 2014. لذا فالطابعة الثلاثية الأبعاد هي تقنية المستقبل، وبدأت غزوها للأسواق بسبب تكلفتها المنخفضة نسبياً بالنسبة لآلات الإنتاج الصناعي الأخرى.

الطابعات المعروفة لدى معظم الناس هي التي تقوم بالطباعة على الورق، فقد تقوم بطباعة نص أو مخطط أو صورة موجودة على حاسبك باستخدام طابعة عادية أو ليزرية وهي الطابعات الأكثر شيوعاً في أيامنا هذه.

هذه الطابعات كما هو معروف تقوم بالطباعة في مستوي واحد X و Y (والذي هو الورقة) أي تقوم بالطباعة في مستوي ثنائي البعد 2D، كما هو موضح في الشكل 3. وإذا أردت أن تحصل على مجسم ثلاثي البعد 3D فلن تستطيع أن تحصل عليه بواسطة هذه الطابعات، لأن حركة الطابعة أصلاً مقيدة في اتجاهين هما X وY. لذا، لكي نقوم بذلك يجب أن يكون هناك بعد آخر وهو الارتفاع أي البعد Z (الشكل 4) وبالتالي فرأس الطابعة يجب أن يتحرك للأعلى أيضاً، بالإضافة إلى أن المادة المستخدمة لن تكون الحبر، فنحن بحاجة إلى مادة تتكدّس فوق بعضها بشكل طبقات لتعطي سماكة، والحبر لن ينفع في هذه الحالة. لذا، فإن مادة البلاستيك ستكون ممتازة في هذه الحالة، إذا قمنا بإذابتها ثم وضعها في طبقات كي تبرد بعد ذلك. وبالتالي نحصل على بعد ثالث، وهذه هي مهمة الطابعة الثلاثية الأبعاد، حيث يضاف المحور الثالث، فيتحرك بشكل عامودي على المستوي X , Y ليتم عملية البناء الثلاثي البعد.

الشكل 3: الأبعاد التي تعطيها الطابعات العادية حين الطباعة على ورقة

الشكل 4: البعد الثالث لكي تتم الطباعة الثلاثية الأبعاد

كما أنك بحاجة إلى برامج لتقوم الطابعة العادية بالطباعة على الورقة، فإن الطابعة الثلاثية الأبعاد أيضاً تحتاج إلى برامج على الحاسوب تختلف عن برامج الطابعة العادية، وسنقوم بشرحها في الفصول القادمة، وكلها متوفرة على الإنترنيت ويمكن الحصول عليها بسهولة.

الطابعة الثلاثية الأبعاد دائماً في حالة تطوير، ويمكن إضافة مميزات جديدة لها في أي وقت، ونحن بصدد تطويرها، لذا ولأننا لا نستطيع أن نضيف كل ملاحظة جديدة أو مشكلة لفصول الكتاب، لذا أنشأنا فصلاً في نهاية الكتاب يتناول هذه الملاحظات. بالإضافة إلى إنك ستجد كامل مقاطع الفيديو التي تتناول بناء هذه الآلة والمكوّنات الأخرى على الرابط التالي من موقع www.buildyourtools.com

http://buildyourcnc.com/whiteAnt3DPrinterandCNCMachine.aspx

وعند فتح الرابط سيظهر الموقع كما هو موضح في الشكل 5، حيث ستجد أيضاً كامل المخططات المطلوبة للقطع الخشبية.

الشكل 5: واجهة الموقع

لقد قام المؤلف باتريك بتسمية هذه الطابعة باسم WhiteAnt، فهو يقوم بتسمية كل آلة يطورها بتسمية معينة. لذا ستجد كامل مقاطع الفيديو الخاصة بهذه الآلة مسبوقة بهذه الكلمة.

يمكن أن نختصر بناء الطابعة الثلاثية الأبعاد بعدة خطوات وهي :

1. أدوات الإنتاج (Production Tools): وهي مجموعة الأدوات والمعدات المطلوبة لعمليات القص والقطع والتثقيب واللازمة لإنتاج الآلة.

2. الهيكل (Frame): وهو عبارة عن ألواح خشبية تقطع بالقياسات المطلوبة لكي تجمع فيما بعد لإعطاء الهيكل الحامل لكل القطع الأخرى.

3. المحركات الخطوية (Stepper Motors): وهي ثلاث محركات تقوم بالتحكم بالحركة وفق الاتجاهات الثلاث X و Y و Z.

4. القطع الإلكترونية (Electronics): وأهمها المتحكم الصغري المسمى الأردينيو Arduino والذي يقوم بالتحكم بدوران المحركات الخطوية.

5. أداة البثق (Extruder): وهي ببساطة الفرن الصغير الذي تنصهر فيه المادة البلاستيكية ثم تخرج بالضغط لتشكل الطبقات المطلوبة وبالتالي الجسم الثلاثي البعد.

6. البرامج (Software): وهي مجموعة البرامج المطلوب تنزيلها على الحاسب كي تقوم بربط الحاسب بالطابعة الثلاثية الأبعاد.

بالإضافة إلى مجموعة من القطع الأخرى والتي سنتناولها بالتفصيل ضمن صفحات هذا الكتاب بإذن الله.