تقنيات جديدة في الطباعة ثلاثية الأبعاد: نحو طباعة متكاملة للأجهزة القابلة للارتداء والروبوتات و الالكترونيات

لا تزال الطباعة ثلاثية الأبعاد تُحدث ثورة في إنتاج الهياكل خفيفة الوزن و الروبوتات ذات الحركات المعقدة و الالكترونيات لكن تواجه هذه التقنية صعوبات تتمثل بدمج مواد متعددة ذات خواص فيزيائية مختلفة ضمن منتج واحد.

ولطباعة جهاز يتمتع بالمرونة (مثل الألبسة الالكترونية) ، يجب أن تكون الطابعة ثلاثية الأبعاد قادرة على الانتقال بسهولة من طباعة مادة مرنة قابلة للحركة كتلك الموجودة في التطبيقات القابلة للارتداء، إلى طباعة مادة صلبة تتوضع عليها المكونات الإلكترونية الأخرى. كما يتوجب عليها أن تكون قادرة على طباعة الدارات الكهربائية عبر استخدام أحبار متعددة تتفاوت خواصها من حيث الناقلية الكهربائية والمقاومة بالإضافة إلى ذلك يحب أن تحدث عملية التبديل بين الأحبار بدقة عالية، و سيكون ذلك مثالياً إذا قامت الطابعة بكل ذلك دون إيقاف عملية الطباعة.

وتعتبر إمكانية دمج المواد المختلفة ذات الخواص المختلفة ضمن العناصر المطبوعة هو الهدف المقبل الذي تسعى الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى تحقيقه.وفي سبيل تحقيق هذا الهدف قام باحثون من جامعة هارفارد بتصميم رؤوس طباعة قادرة على طباعة مواد متعددة في الوقت ذاته حيث تقوم بعمليتي مزج وطباعة الأحبار ذات الكثافة العالية (اللزوجة المرتفعة ) مما يسمح بالتحكم اللحظي بمكونات مادة الطباعة ومكان توضعها أثناء عملية الطباعة. ومن خلال استخدام تقنية المزج الفعال و تقنية التبديل السريع لفوهات الطباعة تقوم رؤوس الطباعة بتغيير تركيبة المادة المطبوعة أثناء التشغيل و دون الحاجة إلى إيقاف عملية الطباعة، الأمر الذي من شأنه أن يمهد الطريق لطباعة كاملة للأجهزة القابلة للارتداء والروبوتات و الالكترونيات.

إن مزج سوائل مركبة هي مرحلة أساسية لطباعة طيف واسع من المواد، لكن معظم طرق المزج هي طرق سلبية حيث يتم بها جمع تيارين من السائل في قناة واحدة حيث يجري المزج بينهما . وتعمل هذه الطريقة بشكل جيد في السوائل منخفضة اللزوجة إلا أنها غير مجدية عند استخدام سوائل عالية اللزوجة مثل الهلام (Gel) وخاصةً في الأحجام الصغيرة وضمن فترات زمنية قصيرة

لحل هذه المشكلة قام الباحثون بتصميم رؤوس طباعة قادرة على طباعة مواد مختلفة تعمل بخاصية المزج الفعال حيث يقوم المازج بمزج طيف كبير من السوائل المركبة باستخدام دافع دوار ضمن فوهة صغيرة الحجم.

على اليسار صورة بصرية وعلى اليمين صورة توضيحية لفوهة المزج ذات الدافع الدوار.

ومن خلال استخدام رؤس الطباعةالجديدة يمكن طباعة مواد مختلفة بشكل ثلاثي الأبعاد.

وعرض فريق البحث عدة استخدامات لتقنية المزج الفعال.كما برهنوا على أنه يمكن طباعة لدائن السيليكون بسهولة في البنى المتدرجة والتي تتألف من المناطق لينة وصلبة. هذه الهياكل قد تجد لها تطبيقات محتملة في مجال الالكترونيات أو الأجهزة القابلة للارتداء والروبوتات.كما قاموا أيضا بطباعة المواد التفاعلية كالإيبوكسى المكون من جزأين والذي يتصلب بسرعة عندما يتم الجمع بين الجزأين. وأخيراً عرضوا كيفية مزج الأحبار التي تتمتع بالناقلية الكهربائية وتلك التي تتمتع بالمقاومة حسب الطلب لتضمين الدوائر الكهربائية المطبوعة داخل الأجسام ثلاثية الأبعاد.

ويقول كريستوفر ساباداتشيني مدير مركز هندسة المواد والتصنيع والتحسين في مختبر لورانس ليفرمور الوطني "إن العمل الذي أنجزه الباحثون مؤخراً يعتبر تقدماً ملموساً في مجال التصنيع المضاف، ومن خلال السماح بمزج اثنتين من المواد عالية اللزوجة دون الحاجة لإيقاف عملية الطباعة بات إنجاز نظم المواد الممزوجة والتي تختلف عن بعضها من حيث الخواص الميكانيكية والوظيفية أكثر واقعيةً من قبل بعد أن كان في السابق لا يتعدى كونه فكرة. وسيكون هذا العمل خطوة تأسيسية للتطبيقات التي تتطلب تكاملاً في طباعة المواد الكهربائية والهيكلية".

كما قام مختبر لويس أيضاً بتصميم رأس طباعة آخر يمكنه التبديل بسرعة بين الأحبار المتعددة داخل فوهة واحدة وذلك للتخلص من العيوب الهيكلية التي غالباً ما كانت تحدث أثناء عملية بدء وإيقاف الطباعة للتبديل بين المواد. حيث يلغي هذا التصميم الحاجة إلى رؤوس متعددة للطباعة.

وتوفر تقنيتي المزج الفعال والتبديل السريع بين رؤوس الطباعة تقدماً مهماً للطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد. حيث تسمحان بالتحكم المبرمج بتركيب المواد وهيكليتها على المستوى الميكروي وتفتحان آفاقاً جديدة لصناعة المواد حسب التصميم.

المصدر:

هنا