A robust multi-objective approach in additive manufacturing

تخيل أرضية مصنع حيث لا تقوم الآلات بقطع المواد لتشكيل جزء ما، بل تقوم ببنائه طبقة تلو الأخرى، مثل كومة من الورق تتصلب لتصبح جسماً صلباً. هذه هي التصنيع المضاف، وهي تقنية انتقلت من النمذجة السريعة إلى إنتاج كل شيء، من الغرسات الطبية إلى مكونات السيارات. تعمل هذه العملية عن طريق صهر البلاستيك وبثقه عبر فوهة ساخنة، لترسم شكلاً في ثلاثة أبعاد. ومع ذلك، فإن الطريقة التي يضع بها المصمم ذلك الجسم على سرير الطابعة قبل بدء المهمة ليست بالأمر الهين. فالزاوية التي يستقر بها الجسم تحدد كيفية حركة الآلة، والوقت الذي تستغرقه المهمة، وكمية المواد الإضافية المطلوبة لدعم الأجزاء البارزة. إذا وُضع الجسم بالزاوية الخاطئة، فقد تحتاج الطابعة إلى بناء سقالة مؤقتة من البلاستيك لدعم الجزء، والتي يجب كسرها لاحقاً، مما يترك غالباً سطحاً خشناً. وإذا كانت الزاوية سيئة، فقد يبدو الجزء النهائي متكتلاً أو يستغرق ساعات أطول للطباعة مما هو ضروري. إن إيجاد الزاوية المثالية هو عملية توازن، لأن تحسين جانب واحد، مثل السرعة، غالباً ما يؤدي إلى تدهور جانب آخر، مثل نعومة السطح.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لحل عملية التوازن هذه ليس فقط لسيناريو مثالي واحد، بل للواقع الفوضوي للعالم الحقيقي. لقد ركزوا على تحدٍ محدد: ماذا يحدث إذا لم تتبع الطابعة التعليمات بدقة؟ في المحاكاة المثالية، قد تقوم الآلة بتدوير جزء ما بزاوية 90 درجة بالضبط، ولكن في مصنع مادي، يمكن لاهتزاز طفيف أو خطأ ضئيل في المحرك أن يغير تلك الزاوية بعدة درجات. افترضت معظم الطرق السابقة لإيجاد زاوية الطباعة المثلى أن الآلة ستكون مثالية. طرح الفريق، بقيادة مارينا أراوجو دي ماتوس وزملاؤها في جامعة مينيو والمعهد البوليتكنيقي في براغانزا، سؤالاً مختلفاً: هل يمكننا إيجاد زوايا طباعة تظل جيدة حتى لو انحرفت الآلة قليلاً؟ لقد طبقوا نهج تحسين متعدد الأهداف يتسم بالمتانة على نموذج ثلاثي الأبعاد لـ "زعنفة"، وهو شكل يُستخدم غالباً في الدراسات الهندسية. كان هدفهم هو إيجاد مجموعة من الزوايا التي تحافظ على جودة الجزء عالية، ووقت الطباعة منخفضاً، والحاجة إلى هياكل الدعم في حدها الأدنى، حتى لو كانت الزاوية الفعلية مختلفة قليلاً عن الزاوية المخطط لها.

وللقيام بذلك، استخدم الباحثون خوارزمية حاسوبية مستوحاة من التطور الطبيعي لاختبار آلاف الزوايا المختلفة. لم يبحثوا فقط عن أفضل زاوية واحدة؛ بل بحثوا عن مجموعة من الحلول التي تقدم أفضل المقايضات الممكنة بين أربعة أهداف متنافسة. الهدف الأول كان تقليل المساحة التي يلمس فيها الجزء هياكل الدعم المؤقتة، لأن أقل تلامس يعني ضرراً أقل عند إزالة الدعامات. والهدف الثاني كان تقليل إجمالي وقت البناء، والذي يعتمد بشدة على مدى ارتفاع الجسم بالنسبة للطابعة. والهدف الثالث كان خفض خشونة السطح، وهي عدم الاستواء المجهري الناتج عن عملية التراكم الطبقي. والهدف الرابع كان تحسين جودة السطح الإجمالية، التي تتأثر عندما تخلق الطبقات مظهراً متدرجاً متعرجاً على الأسطح المنحنية. جرت الخوارزمية 30 تجربة منفصلة، مولدةً مجموعة هائلة من الحلول المحتملة. ومن بين هذه الحلول، حدد الفريق 214 خياراً متميزاً لم يهيمن عليها أي خيار آخر، مما يعني أنه لا يمكنك تحسين أحد الأهداف الأربعة دون جعل هدف آخر أسوأ.

قام الباحثون بعد ذلك بتصفية هذه الخيارات الـ 214 إلى 23 حلاً تمثيلياً أظهرت النطاق الكامل للإمكانيات. ووجدوا أن بعض الزوايا كانت ممتازة لتقليل مساحة الدعم ولكنها أدت إلى أوقات طباعة أطول، بينما كانت زوايا أخرى سريعة للغاية ولكنها تركت السطح خشناً. والأهم من ذلك، اكتشفوا أن العديد من الزوايا التي بدت مثالية في الدراسات السابقة كانت في الواقع هشة؛ حيث يؤدي تغيير طفيف في الزاوية إلى انخفاض حاد في الجودة. ومع ذلك، حدد النهج الجديد زوايا مستقرة. فعلى سبيل المثال، تطلب أحد الحلول توجيه الجزء بزاوية 90 درجة على أحد المحاور و90 على الآخر، مما قلل من مساحة الدعم ومشاكل جودة السطح، ولكنه استغرق أطول وقت للطباعة. وحل آخر، موجه بزاوية 68 درجة و180 درجة، وفر أسرع وقت للطباعة ولكنه تطلب أكبر قدر من مواد الدعم. كما وجد الفريق عدة زوايا جديدة لم يتم تحديدها في الأعمال السابقة، مما أثبت أن الطريقة المتينة يمكنها العثور على "الجواهر الخفية" التي تغفل عنها الطرق القياسية.

ولإثبات أن هذه الحلول المولدة حاسوبياً تعمل بالفعل في العالم الحقيقي، اختار الفريق زاوية محددة، حيث تم إمالة الجزء بزاوية 10 درجات على أحد المحاور و165 درجة على الآخر، وقام بطباعتها. ثم قاموا بطباعة نسخة ثانية من نفس الجزء، ولكن هذه المرة قاموا بإزاحة الزاوية عمداً بمقدار 3 درجات، لمحاكاة خطأ صغير قد يحدث أثناء عملية طباعة حقيقية. قاموا بقياس الوقت الذي استغرقته طباعة كلا الجزأين، وكمية خيوط البلاستيك المستخدمة. كانت النتائج مذهلة: استغرق الجزءان نفس الوقت للطباعة تقريباً، مع اختلاف يقل عن اثنين بالمائة، واستخدما كمية متقاربة جداً من المواد. وعندما أزال الباحثون هياكل الدعم ونظروا إلى الأجزاء النهائية، لم يكن هناك فرق مرئي بين الجزء المطبوع بالزاوية المثالية والجزء المطبوع بالزاوية المنحرفة قليلاً. فقد ظلت تشطيبات السطح، والشكل، والسلامة الهيكلية ثابتة.

أكدت هذه التجربة أن النهج المتين يعمل. فالزاوية التي اختارتها الخوارزمية لم تكن مجرد مثال نظري مثالي؛ بل كانت حلاً عملياً يمكنه الصمود أمام العيوب الطفيفة المتأصلة في أي عملية تصنيع. وأظهرت الدراسة أنه من خلال التصميم مع مراعاة عدم اليقين، يمكن للمهندسين العثور على اتجاهات طباعة موثوقة ومتسقة، بدلاً من مجرد كونها مثالية على الورق. وبينما ركز البحث على جسم واحد يشبه الزعنفة، فإن الطريقة توفر مساراً واضحاً لتحسين موثوقية الطباعة ثلاثية الأبعاد لأجز أكثر تعقيداً. ويشير العمل إلى أن مستقبل التصنيع المضاف لا يكمن فقط في إيجاد الطريقة الأسرع أو الأرخص للطباعة، بل في إيجاد الطريقة الأكثر استقراراً للقيام بذلك، لضمان أن المنتج النهائي يبدو ويعمل تماماً كما هو مخطط له، بغض النظر عن الاختلافات الطفيفة التي تحدث في العالم الحقيقي.