حقق علماء صينيون تقدماً جديداً في حل "مشاكل الصناعة" من تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد!

مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا اليوم، انتشرت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في جميع مجالات الحياة مثل ريح شرقية قوية. من القطع الميكانيكية المعقدة والدقيقة إلى نماذج المنتجات الواقعية، ومن النماذج المعمارية الخيالية إلى المستلزمات الشخصية اليومية، أدخلت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الإبداع اللامحدود والمرونة الكافية لتحويل الخيال إلى واقع، مما جعل حياة الناس أكثر سهولة وأيضًا أحضر لنا مفاجآت.

مبدأ عمل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد، التي تُعرف أيضًا باسم تقنية التصنيع الإضافي، هي طريقة إنتاج مبتكرة تبني الأجسام ثلاثية الأبعاد عن طريق تراكب المواد طبقة تلو الأخرى. ومبدئها مشابه لبناء منزل من الطوب، ويمكن تلخيصه ببساطة على أنه "تصنيع طبقي، تراكب طبقة تلو الأخرى".

عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد ليست معقدة. أولاً، يتم إنشاء أو الحصول على نموذج رقمي من خلال برامج التصميم المساعد بالحاسوب، ثم يتم قطع النموذج إلى سلسلة من الطبقات العرضية الرقيقة جدًا (أي الشرائح)، وعادة ما يتراوح سمك كل شريحة بين عشرات الميكرونات ومئات الميكرونات. بعد ذلك، بناءً على معلومات هذه الشرائح، تقوم الطابعة ثلاثية الأبعاد ببناء الجسم النهائي طبقة تلو الأخرى باستخدام تقنيات مواد محددة.

تشمل عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد نماذج الإيداع المت융مة (FDM)، والطباعة ثلاثية الأبعاد الفوتوستيريو ليتيجرافيا (SLA, DLP, LCD)، والتصلب الانتقائي بالليزر (SLS)، والذوبان الانتقائي بالليزر (SLM)، والطباعة الحبرية الاستريروجرافية (3DP)، وتصنيع الطبقة تلو الأخرى (LOM).

نموذج التصنيع بالترسيب المدمج (FDM) هو عملية يتم فيها تسخين وذوبان مواد حرارية متشابكة عبر فوهة، ثم ترسب طبقة تلو الأخرى على منصة، وتتم بلورتها في النهاية إلى كائن ثلاثي الأبعاد. غالبًا ما تستخدم هذه التقنية المواد الحرارية كمواد خام، مثل البوليمر الثلاثي الأكريلونيتريل-بوتاديين-ستايرين (ABS)، حمض البولي لاكتيك (PLA)، وما إلى ذلك. لديها متطلبات معدات منخفضة وهي سهلة التشغيل، مما يجعلها مناسبة للأفراد والudios الصغيرة. "سكين الفجل" و"السيف القابل للطي" اللذان اشتهرتا مؤخرًا في سوق الألعاب يتم تصنيعهما بهذه الطريقة.

طباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنية التشكيل الضوئي الاسترالي (SLA, DLP, LCD) تعتمد على استخدام ضوء بحزمة وشكل معينين لإشعاع الراتنج الحساس للضوء، حيث يتم تصلب الراتنج طبقة تلو الأخرى لتكوين الأجسام بالشكل المطلوب. هذه التقنية تتميز بدقة تشكيل عالية وسلاسة سطحية، وهي مناسبة لصنع نماذج دقيقة وأجزاء صغيرة.

التصنيع باستخدام التصعيد الانتقائي بالليزر (SLS) يستخدم شعاع ليزر لمسح مواد المسحوق وذوبانها وربطها معًا طبقة تلو الأخرى لتكوين كائن ثلاثي الأبعاد. هذه التقنية تستخدم المسحوق كمادة خام (مثل النايلون، مسحوق المعدن، مسحوق السيراميك، إلخ)، ولديها دقة تشكيل عالية، وهي مناسبة لتصنيع الأجزاء الوظيفية ذات الهياكل المعقدة.

التذويب الانتقائي بالليزر (SLM) يتمتع بطاقة ليزر أعلى، وهو مشابه لعملية التصعيد الانتقائي بالليزر (SLS)، ويمكنه ذوبان مسحوق المعدن بشكل كامل لتحقيق نماذج أولية سريعة للأجزاء المعدنية. هذه التقنية غالبًا ما تستخدم مسحوق المعدن (مثل سبائك التيتانيوم، الفولاذ المقاوم للصدأ، إلخ) كمادة خام، يمكنها طباعة أجزاء معدنية ذات قوة عالية ودقة عالية، وتُستخدم على نطاق واسع في مجالات الطيران والفضاء والطب وغيرها.

الطباعة النافثة للحبر ثلاثية الأبعاد (3DP) تستخدم المواد المسحوقة (معادن أو غير معادن) واللواصق كمواد خام، وتستخدم آلية الترابط لطباعة كل طبقة من المكونات بشكل تدريجي. تحتوي العينات المُشكلة باستخدام هذه التقنية على نفس اللون المنتج الفعلي، وهي حاليًا تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد ملونة أكثر نضجًا.

تصنيع الأجسام المتراكبة (LOM) يستخدم مواد رقيقة (مثل الورق، الأغشية البلاستيكية، إلخ) واللواصق الساخنة كمواد خام، ويقوم بتراكم الأجسام المطلوبة طبقة تلو الأخرى من خلال القطع بالليزر والتآلف الحراري. هذه التقنية لديها سرعة تشكيل عالية وتكلفة مادة منخفضة، وهي مناسبة لصنع الهياكل الكبيرة والأغطية.

على الرغم من أن منتج تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد يتمتع بدرجة عالية من الاستعادة، إلا أنه محدود بسبب المواد الخام المستخدمة في الطباعة. منتجات الطباعة ثلاثية الأبعاد تكون هشة للغاية وسهلة الكسر بسبب القوى الخارجية. عند استخدام هذه المنتجات في سيناريوهات تتطلب أداءً ميكانيكيًا عاليًا، قد تبدو "غير قادرة". إذن، كيف يمكن تحسين "قلب الزجاج" لمنتجات الطباعة ثلاثية الأبعاد، بحيث تحظى بـ"جلد" جذاب و"مرونة" لا تنكسر بسهولة؟

في 3 يوليو 2024، نشر علماء صينيون نتيجة بحث حول المطاط المطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد في مجلة Nature. يمكن للحلقات المطاطية المُعدة باستخدام هذه التقنية أن تمتد إلى 9 أضعاف طولها الأصلي، ويمكن أن يصل القوة الشدودية القصوى إلى 94.6 ميجا باسكال، وهو ما يعادل أن 1 مليمتر مربع يمكنه تحمل حوالي 10 كيلوغرامات من الجاذبية، مما يظهر قوة ومتانة فائقة.

«المصالحة» بين سرعة التشكيل والمتانة للمنتجات النهائية

في عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام التصلب الضوئي (SLA، DLP، LCD)، يتطلب تحسين كفاءة الإنتاج سرعة تشكيل أسرع، مما يؤدي إلى زيادة في كثافة الترابط العرضي للمادة وانخفاض في متانة المادة أثناء عملية التصلب. تحت الأساليب التقليدية، بينما تزداد متانة المادة، سيزداد أيضًا لزوجتها، مما يؤدي إلى انخفاض في السائلية وانخفاض في سرعة التشكيل. التناقض بين سرعة التشكيل في الطباعة ثلاثية الأبعاد ومتانة المنتج النهائي كان دائمًا يشكل مصدر إزعاج للصناعة بأكملها.

المهندسون الصينيون قد "وفقوا" بين هاتين التناقضتين. اقترح الباحثون استراتيجية طباعة مرحلية معالجة ما بعد الطباعة من خلال تحليل راتنج الحساس للضوء كمادة خام لعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالتجفيف الضوئي وتفكيك عملية الطباعة. صمم الباحثون مسبوق DLP (معالجة الضوء الرقمية) ثنائي الميثاكرايليت، والذي يحتوي على رابطة يوريا ديناميكية مقيدة ومجموعتين كاربوكسيليتين على السلسلة الرئيسية. أثناء مرحلة الطباعة والتشكيل، تكون هذه المكونات الرئيسية في حالة "نوم" وتؤدي دورًا في تعزيز المتانة خلال مرحلة المعالجة ما بعد التشكيل.

أ. الأشياء المطبوعة ثلاثية الأبعاد والتغيرات البعدية أثناء المعالجة ما بعد الطباعة؛ ب. أداء مقاومة الثقب للبالونات المطبوعة ثلاثية الأبعاد؛ ج. نمذجة قوة الثقب الميكانيكية؛ د-هـ. اختبار رفع الأوزان لماسكة الهواء المطبوعة ثلاثية الأبعاد. مصدر الصورة: المرجع [1]

خلال مرحلة ما بعد المعالجة عند 90°C، تتفكك الروابط اليوريا المعيقة في المنتجات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد لتوليد مجموعات الإيزوسيانات، والتي تشكل من ناحية روابط الأميد مع مجموعات الكاربوكسيل الجانبية، ومن ناحية أخرى تتفاعل مع الماء الممتص بواسطة الحمض الكربوكسيلي لتكوين روابط اليوريا. التغيرات في الروابط الكيميائية داخل الجزيئات تربط البنية الشبكية الفردية في المادة إلى بنية شبكة متداخلة مشابهة لـ "اليدين في بعضهما"، مما يوفر المزيد من الروابط الهيدروجينية ويعزز البنية الداخلية للمادة. وبسبب هذه التغيرات في البنية الداخلية للمادة، يكون للمنتجات المطبوعة ثلاثيًا الأبعاد مساحة أكبر للتخفيف عندما تتعرض للتشوه تحت تأثير القوى الخارجية، مشابهة لتأثير امتصاص الطاقة أثناء اصطدام السيارة، مما يحسن مقاومة المنتج للصدمات وكسره ويمنحه مرونة أعلى.

ت表明 النتائج التجريبية أن الفيلم المُحضَّر باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية DLP بسمك يبلغ 0.8 مليمتر فقط يمتلك أداءً مضادًا للثقب بشكل قوي جدًا، مما يمكِّنه من تحمل قوة تصل إلى 74.4 نيوتن دون أن ينكسر. حتى تحت ظروف التضخيم تحت ضغط عالٍ، يمكن للمقبض الهوائي المطبوع ثلاثي الأبعاد أن يGrab كرة نحاسية تزن 70 غرامًا ولها شوك حادة على السطح دون أن تنكسر، مما يدل على الصلابة الفائقة والقوة الهيكلية لمنتجات الطباعة ثلاثية الأبعاد.

التطبيق الواسع للمطاط المطبوع ثلاثي الأبعاد

في مجال معدات الرياضة، توفر المطاطيات المطبوعة بتقنية 3D للرياضيين معدات شخصية ذات أداء عالٍ. على سبيل المثال، تستخدم النعلات المخصصة والمعدات الوقائية خصائص امتصاص الصدمات والدعم التي توفرها المطاطيات لتحسين أداء الرياضيين الرياضي وتعزيز تجربة الارتداء. خاصة في الرياضات المتطرفة والرياضات عالية التأثير، يمكن للمواد المطاطية المطبوعة بتقنية 3D تقليل التأثير على الرياضيين أثناء التمرين بشكل كبير وحماية مفاصلهم وعضلاتهم من الإصابة.

في مجالات السيارات والطيران، تُستخدم المطاطيات المطبوعة بتقنية 3D لمكونات رئيسية مثل الأجزاء الخفيفة الوزن لامتصاص الصدمات وختمات. يمكن لهذه الأجزاء أن تخفف من الوزن وتحافظ على الأداء العالي من خلال تصاميم هيكلية معقدة.

في مجال المنتجات الإلكترونية، يمكن طباعة منتجات مثل السماعات الذكية، وسوار الذكاء، وغطاء هواتف محمولة وغيرها باستخدام مواد مطاطية. تتميز هذه المنتجات ليس فقط بليونة ومرنة ممتازة، ولكنها أيضًا مقاومة للارتداء وتتمتع بمتانة عالية، مما يلبي احتياجات المستهلكين المتعددة فيما يتعلق بمظهر المنتج وأدائه.

في مجال التصنيع الصناعي، يتم استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد المطاطية لتصنيع مختلف القوالب الصناعية والحزام الناقل وغيرها من الأجزاء. تحتاج هذه الأجزاء إلى تحمل ضغوط ميكانيكية وزخات أكبر، وتوفر المواد المطاطية خيارًا مثاليًا بفضل مرونتها ومقاومتها للإجهاد التعبوي. إنتاج هذه الأجزاء باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن يزيد من كفاءة الإنتاج بالإضافة إلى تقليل تكاليف التصنيع.

قد أدى ظهور تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد المطاطية إلى توسيع نطاق استخدام منتجات الطباعة ثلاثية الأبعاد، وأضفى تنوعًا أكبر على حياتنا.