حقق العلماء الصينيون طفرة جديدة في حل "مشاكل الصناعة" لتكنولوجيا الطباعة 3D!

مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا اليوم ، انتشرت تكنولوجيا الطباعة 3D في جميع مناحي الحياة مثل الرياح الشرقية القوية. من الأجزاء الميكانيكية المعقدة والدقيقة إلى نماذج المنتجات النابضة بالحياة ، من النماذج المعمارية الرائعة إلى الضروريات اليومية الشخصية ، جلبت تقنية الطباعة 3D ، بإبداعها اللامتناهي ومرونتها الكافية ، الخيال إلى الواقع ، مما يجعل حياة الناس أكثر ملاءمة بينما تجلب لنا أيضا المفاجآت.

مبدأ العمل من تكنولوجيا الطباعة 3D

تقنية الطباعة 3D ، والمعروفة أيضا باسم تكنولوجيا التصنيع المضافة ، هي طريقة إنتاج مبتكرة تبني كيانات ثلاثية الأبعاد عن طريق تكديس المواد طبقة تلو الأخرى. يشبه مبدأه مبدأ بناء منزل من الطوب ، والذي يمكن تلخيصه ببساطة على أنه "تصنيع متعدد الطبقات ، طبقة تلو الأخرى التراص".

عملية الطباعة 3D ليست معقدة. أولا ، يتم إنشاء نموذج رقمي أو الحصول عليه من خلال برنامج تصميم بمساعدة الكمبيوتر ، ثم يتم تقطيع النموذج إلى سلسلة من طبقات المقطع العرضي الرقيقة جدا (أي شرائح) ، وعادة ما يكون سمك كل شريحة بين عشرات الميكرونات ومئات الميكرونات. بعد ذلك ، بناء على معلومات الشريحة هذه ، تقوم طابعة 3D ببناء طبقة الكائن النهائي طبقة تلو الأخرى من خلال تقنية ومواد محددة.

تشمل عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) ، والطباعة الحجرية المجسمة للصور ثلاثية الأبعاد (SLA ، DLP ، LCD) ، تلبيد الليزر الانتقائي (SLS) ، ذوبان الليزر الانتقائي (SLM) ، الطباعة النافثة للحبر الاستريو (3DP) ، والتصنيع طبقة تلو الأخرى (LOM).

نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) هي عملية يتم فيها تسخين المواد البلاستيكية الحرارية الخيطية وصهرها من خلال فوهة ، وترسيب طبقة تلو الأخرى على منصة ، وأخيرا يتم ترسيخها في جسم ثلاثي الأبعاد. غالبا ما تستخدم هذه التقنية مواد لدن بالحرارة كمواد خام ، مثل كوبوليمر أكريلونيتريل - بوتادين - ستايرين (ABS) ، حمض اللبنيك (PLA) ، إلخ. لديها متطلبات معدات منخفضة وسهلة التشغيل ومناسبة للأفراد والاستوديوهات الصغيرة. "سكين الفجل" و "السيف التلسكوبي" اللذان كانا شائعين في سوق الألعاب مؤخرا مصنوعان بهذه الطريقة.

الطباعة الحجرية المجسمة 3D الطباعة (SLA ، DLP ، LCD) يستخدم ضوء نطاق وشكل معين لإشعاع الراتنج حساس للضوء ، ويتم علاج الراتنج الحساس للضوء طبقة تلو الأخرى لتوليد كائنات من الشكل المطلوب. تتميز هذه التقنية بدقة صب عالية وسطح أملس ، وهي مناسبة لصنع نماذج دقيقة وأجزاء صغيرة.

يستخدم التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) شعاع ليزر لمسح مواد المسحوق لإذابتها وربطها معا ، وتراكم طبقة تلو الأخرى في جسم ثلاثي الأبعاد. تستخدم هذه التقنية المسحوق كمواد خام (مثل النايلون ، ومسحوق المعادن ، ومسحوق السيراميك ، وما إلى ذلك) ، ولديها دقة صب عالية ، وهي مناسبة لتصنيع الأجزاء الوظيفية ذات الهياكل المعقدة.

يحتوي الذوبان الانتقائي بالليزر (SLM) على طاقة ليزر أعلى ، على غرار التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) ، ويمكنه إذابة مسحوق المعدن تماما لتحقيق نماذج أولية سريعة للأجزاء المعدنية. غالبا ما تستخدم هذه التقنية مسحوق المعادن (مثل سبائك التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ وما إلى ذلك) كمواد خام ، ويمكنها طباعة أجزاء معدنية عالية القوة وعالية الدقة ، وتستخدم على نطاق واسع في مجالات الطيران والطب وغيرها.

تستخدم الطباعة النافثة للحبر الاستريو (3DP) مواد مسحوقة (معدنية أو غير معدنية) ومواد لاصقة كمواد خام ، وتستخدم آلية الترابط لطباعة كل طبقة مكونة بطبقة. العينات المصبوبة من تقنية الطباعة هذه لها نفس لون المنتج الفعلي ، وهي حاليا تقنية طباعة 3D ملونة أكثر نضجا.

يستخدم تصنيع الأجسام المصفحة (LOM) مواد صفائح رقيقة (مثل الورق ، والأغشية البلاستيكية ، وما إلى ذلك) والمواد اللاصقة الذائبة الساخنة كمواد خام ، ويتراكم الكائنات المطلوبة طبقة تلو الأخرى من خلال القطع بالليزر والترابط الحراري. تتميز هذه التقنية بسرعة صب سريعة وتكلفة مواد منخفضة ، وهي مناسبة لصنع الهياكل والأصداف الكبيرة.

على الرغم من أن منتج تكنولوجيا الطباعة 3D لديه درجة عالية من الترميم ، إلا أنه محدود بمواد الطباعة الخام. المنتجات المطبوعة 3D هشة للغاية ويمكن كسرها بسهولة من قبل القوى الخارجية. عندما يتم استخدام هذه المنتجات في سيناريوهات ذات متطلبات أداء ميكانيكي عالية ، فإنها ستبدو "غير قادرة" إلى حد ما. لذا ، كيف يمكن تحسين "القلب الزجاجي" للمنتجات المطبوعة 3D ، بحيث يكون لديهم "جلد" جيد المظهر و "مرونة" ليس من السهل كسرها؟

في 3 يوليو 2024 ، نشر علماء صينيون نتيجة بحث عن اللدائن المطبوعة ثلاثية الأبعاد في مجلة Nature. يمكن تمديد الأربطة المطاطية المحضرة باستخدام هذه التقنية إلى 9 أضعاف طولها ، ويمكن أن تصل قوة الشد القصوى إلى 94.6 ميجا باسكال ، وهو ما يعادل 1 ملليمتر مربع يمكنه تحمل ما يقرب من 10 كيلوغرامات من الجاذبية ، مما يدل على قوة وصلابة فائقة.

"التوفيق" بين سرعة التشكيل وصلابة المنتجات النهائية

في عملية المعالجة الضوئية للطباعة ثلاثية الأبعاد (SLA ، DLP ، LCD) ، يتطلب تحسين كفاءة الإنتاج سرعة صب أسرع ، مما يؤدي إلى زيادة كثافة التشابك للمادة وانخفاض في صلابة المادة أثناء عملية المعالجة. في ظل الطرق التقليدية ، بينما تزداد صلابة المادة ، ستزداد لزوجة المادة أيضا ، مما سيؤدي إلى انخفاض في السيولة وانخفاض في سرعة التشكيل. لطالما أزعج التناقض بين سرعة صب الطباعة 3D وصلابة المنتج النهائي الصناعة بأكملها.

لقد "تصالح" العلماء الصينيون بين هذين التناقضين. اقترح الباحثون استراتيجية للطباعة المرحلية والمعالجة اللاحقة من خلال تحليل راتنج المواد الخام الحساسة للضوء للطباعة الضوئية 3D وتفكيك عملية الطباعة. صمم الباحثون سلائف DLP (معالجة الضوء الرقمي) من ثنائي ميثاكريلات ، والتي تحتوي على رابطة يوريا معوقة ديناميكيا ومجموعتين من الكربوكسيل على السلسلة الرئيسية. أثناء مرحلة الطباعة والقولبة ، تكون هذه المكونات الرئيسية في حالة "نائمة" وتلعب دورا قويا في مرحلة المعالجة بعد الصب.

a. 3D الأشياء المطبوعة وتغيرات أبعادها أثناء المعالجة اللاحقة ؛ b. أداء مضاد للثقب للبالونات المطبوعة 3D ؛ ج. نمذجة قوة الثقب الميكانيكية ؛ د-ه. 3D المطبوعة القابض الهوائي اختبار رفع الأثقال. مصدر الصورة: المرجع [1]

خلال مرحلة ما بعد المعالجة عند 90 درجة مئوية ، تنفصل روابط اليوريا المعوقة في المنتجات المطبوعة 3D لتوليد مجموعات أيزوسيانات ، والتي من ناحية تشكل روابط أميد مع مجموعات كربوكسيل السلسلة الجانبية ، ومن ناحية أخرى تتفاعل مع الماء الممتز بواسطة حمض الكربوكسيل لتشكيل روابط اليوريا. تعمل التغييرات في الروابط الكيميائية داخل الجزيئات على ربط بنية الشبكة المفردة في المادة بهيكل شبكة متداخل مشابه ل "يدا بيد" ، مما يؤدي إلى المزيد من الروابط الهيدروجينية وتقوية البنية الداخلية للمادة. وبسبب التغيرات في البنية الداخلية للمادة على وجه التحديد ، فإن المنتجات المطبوعة 3D لها مساحة عازلة أكبر عند تشويهها بواسطة قوى خارجية ، على غرار تأثير امتصاص الطاقة لاصطدام السيارة ، مما يحسن مقاومة تأثير المنتج ومقاومة الكسر ولديه صلابة أعلى.

تظهر النتائج التجريبية أن الفيلم الذي تم إعداده بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام سلائف DLP بسمك 0.8 مم فقط يظهر أداء قويا للغاية في مقاومة الثقب ، مما يسمح له بتحمل قوة 74.4 نيوتن دون كسر. حتى في ظل ظروف التضخم عالية الضغط ، لا يزال بإمكان القابض الهوائي المطبوع 3D الاستيلاء على كرة نحاسية تزن 70 جراما مع أشواك حادة على السطح دون أن تنكسر ، مما يدل على المتانة الفائقة والقوة الهيكلية للمنتجات المطبوعة 3D.

تطبيق واسع من اللدائن المطبوعة 3D

في مجال المعدات الرياضية ، توفر اللدائن المطبوعة 3D للرياضيين معدات شخصية عالية الأداء. على سبيل المثال ، تستخدم النعال المخصصة ومعدات الحماية خصائص امتصاص الصدمات والدعم للمطاط الصناعي لتحسين الأداء الرياضي للرياضيين وتعزيز تجربة الارتداء. خاصة في الرياضات المتطرفة والرياضات عالية التأثير ، يمكن لمواد المطاط الصناعي المطبوعة 3D أن تقلل بشكل كبير من التأثير على الرياضيين أثناء التمرين وتحمي مفاصلهم وعضلاتهم من الإصابة.

في مجالات السيارات والفضاء ، يتم استخدام اللدائن المطبوعة 3D للمكونات الرئيسية مثل الأجزاء خفيفة الوزن الممتصة للصدمات والأختام. يمكن لهذه الأجزاء تقليل الوزن والحفاظ على الأداء العالي من خلال التصاميم الهيكلية المعقدة.

في مجال المنتجات الإلكترونية ، يمكن طباعة مكبرات الصوت الذكية والأساور الذكية وحالات الهاتف المحمول وغيرها من المنتجات بمواد مطاطية. لا تتمتع هذه المنتجات بنعومة ومرونة ممتازة فحسب ، بل تتمتع أيضا بمقاومة عالية للتآكل والمتانة ، والتي يمكن أن تلبي احتياجات المستهلكين متعددة الأوجه لمظهر المنتج وأدائه.

في مجال التصنيع الصناعي ، يتم استخدام تقنية المطاط الصناعي للطباعة 3D لتصنيع القوالب الصناعية المختلفة وأحزمة النقل وأجزاء أخرى. تحتاج هذه الأجزاء إلى تحمل قدر أكبر من الضغط والاهتزاز الميكانيكي ، وتعتبر مواد المطاط الصناعي خيارات مثالية بمرونتها الممتازة ومقاومتها للتعب. تصنيع هذه الأجزاء من خلال تكنولوجيا الطباعة 3D لا يمكن فقط تحسين كفاءة الإنتاج ، ولكن أيضا تقليل تكاليف التصنيع.

أدى ظهور تقنية المطاط الصناعي للطباعة ثلاثية الأبعاد إلى توسيع سيناريوهات استخدام منتجات الطباعة ثلاثية الأبعاد وجلب المزيد من الاحتمالات الملونة لحياتنا.