الطباعة ثلاثية الأبعاد تُبسّط عملية تصنيع المواد المتعددة.. "تكنولوجيا واعدة"

طور باحثون من جامعة ميسوري طريقة لإنشاء أجهزة معقدة بمواد متعددة، بما في ذلك البلاستيك والمعادن وأشباه الموصلات، وكل ذلك باستخدام جهاز واحد.

يحدد البحث، الذي نُشر مؤخرا في مجلة "Nature Communications"، عملية جديدة تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد والليزر لتصنيع أجهزة استشعار متعددة المواد والطبقات ولوحات الدوائر وحتى المنسوجات ذات المكونات الإلكترونية. 

ويطلق على العملية  اسم عملية "التجميع الحر متعدد المواد"، وهي تعد بإحداث ثورة في تصنيع المنتجات الجديدة، وفقا لتقرير نشره موقع "Sciencedaily"، وترجمته "عربي21".

من خلال طباعة أجهزة الاستشعار المدمجة داخل هيكل، يمكن للآلة صنع أشياء يمكنها استشعار الظروف البيئية، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط. بالنسبة لباحثين آخرين، قد يعني ذلك وجود جسم طبيعي المظهر مثل صخرة أو صدف يمكنه قياس حركة مياه المحيط. بالنسبة للجمهور، يمكن أن تشمل التطبيقات أجهزة يمكن ارتداؤها لمراقبة ضغط الدم والعلامات الحيوية الأخرى. 


وعلى وجه التحديد، فإن التقنيات الأخرى لا تفي بالغرض عندما يتعلق الأمر بمدى تنوع المادة ومدى دقة وضع المكونات الأصغر داخل هياكل أكبر. 

تستخدم طريقة فريق جامعة ميسوري تقنيات خاصة لحل هذه المشكلات. قام أعضاء الفريق ببناء آلة تحتوي على ثلاث فوهات مختلفة: تضيف إحداها مادة تشبه الحبر، والأخرى تستخدم الليزر لنحت الأشكال والمواد، والثالثة تضيف مواد وظيفية إضافية لتعزيز قدرات المنتج. يبدأ الأمر بصنع هيكل أساسي باستخدام خيوط الطباعة ثلاثية الأبعاد العادية، مثل البولي كربونات، وهو نوع من اللدائن الحرارية الشفافة. ثم يتحول بعد ذلك إلى الليزر لتحويل بعض الأجزاء إلى مادة خاصة تسمى الغرافين المستحث بالليزر، ووضعها في المكان المطلوب بالضبط. وأخيرا، تتم إضافة المزيد من المواد لتعزيز القدرات الوظيفية للمنتج النهائي. 

يتم تمويل هذا العمل من خلال برنامج التصنيع المتقدم التابع لمؤسسة العلوم الوطنية (NSF)، ويقوم برنامج NSF I-CorpsTM بتوفير الأموال لاستكشاف التسويق التجاري. 

وقال لين: "يساعدنا برنامج I-Corps على تحديد اهتمامات السوق واحتياجاته. في الوقت الحالي، نعتقد أنه سيكون موضع اهتمام باحثين آخرين، ولكننا نعتقد أنه سيفيد الشركات في نهاية المطاف. فهو سيقلل من وقت تصنيع النماذج الأولية للأجهزة من خلال السماح للشركات بصنع نماذج أولية في ورشاتها. هذه التكنولوجيا، المتوفرة فقط في جامعة ميسوري، واعدة بشكل كبير بتغيير طريقة تركيب المنتجات وتصنيعها".

وقال بوجينجدا تشنغ، طالب الدكتوراه في الهندسة الميكانيكية في جامعة ميزو والمؤلف الرئيسي للدراسة: "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام هذا النوع من العمليات، وهو يفتح إمكانيات جديدة. أنا متحمس للتصميم. لقد أردت دائما أن أفعل شيئا لم يفعله أحد من قبل، وسأقوم بذلك هنا في جامعة ميسوري". 

إحدى الفوائد الرئيسية هي أن المبتكرين يمكنهم التركيز على تصميم منتجات جديدة دون القلق بشأن كيفية تصميم نماذج أولية لها. 

وقال جيان جافين لين، الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران في جامعة ميسوري: "هذا يفتح المجال أمام أسواق جديدة تماما. سيكون لها تأثيرات واسعة النطاق على أجهزة الاستشعار التي يمكن ارتداؤها، والروبوتات القابلة للتخصيص، والأجهزة الطبية، والمزيد". 


في الوقت الحالي، يمكن أن يكون تصنيع هيكل متعدد الطبقات - مثل لوحة الدوائر المطبوعة - عملية مرهقة تتضمن خطوات ومواد متعددة. هذه العمليات مكلفة، وتستغرق وقتا طويلا، ويمكن أن تولد نفايات تضر بالبيئة. 

ليست التقنية الجديدة أفضل لكوكب الأرض فحسب، بل إنها مستوحاة من الأنظمة الموجودة في الطبيعة. 

وقال تشنغ: "كل شيء في الطبيعة يتكون من مواد هيكلية ووظيفية. على سبيل المثال، تمتلك الثعابين الكهربائية المائية عظاما وعضلات تمكنها من الحركة. ولديها أيضا خلايا متخصصة يمكنها تفريغ ما يصل إلى 500 فولت لردع الحيوانات المفترسة. وقد ألهمت هذه الملاحظات البيولوجية الباحثين لتطوير طرق جديدة لتصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد ذات تطبيقات متعددة الوظائف ولكن الأساليب الناشئة الأخرى لها قيود".