طباعة رباعية الأبعاد
حقق فريق بحثي في جامعة ستي بهونج كونج City University of Hong Kong تقدم كبير في أبحاث المواد بنجاحهم في تطوير أول طباعة رباعية الأبعاد (D4) للسيراميك في العالم. وهذه المواد تمتاز بأن لها خواص ميكانيكية قوية ويمكن إنتاجها بأشكال كثيرة ومعقدة. وهذا بدورة سيفتح أفق جديدة للتطبيقات الهيكلية للسيراميك.
الطباعة ثلاثية الأبعاد للسيراميك (D3)
يمتاز السيراميك بأن له درجة انصهار عالية، وهذا يعني أنه لا يمكن استخدام الليزر العادي في طباعة السيراميك. والسيراميك الناتج بالطباعة ثلاثية الأبعاد (D3) المستخدمة حالياً غالباً ما يكون صعب التشكيل، لذلك يكون من الصعب إنتاج أشكال معقدة منه بالطباعة. ولحل هذه المشكلة، طور فريق جامعة ستي حبر سيراميك جديد، وهو عبارة عن خليط من جزيئات نانوية من البوليمرات والسيراميك. المواد الناتجة من استخدام هذا الحبر في الطباعة ثلاثية الأبعاد يُمكنها التمدد لثلاث مرات طولها الأصلي. وهذا يعني أنه يمكن إنتاج أشكال معقدة من هذه المواد المرنة والقابلة للتمدد. فباستخدام المعالجات الحرارية الصحيحة يمكن تصنيع السيراميك بالأشكال المطلوبة.
الطباعة رباعية الأبعاد للسيراميك (D4)
بعد التحسين من مرونة المواد الناتجة من الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D)، تمكن الفريق من تطوير طريقتين للطباعة رباعية الأبعاد (4D).
الطباعة رباعية الأبعاد هي عبارة عن طباعة ثلاثية الأبعاد عادية مُضاف إليها عنصر الزمن كبعد رابع. بمعنى أنه يمكن للمواد أن تُعيد تشكيل نفسها بمرور الوقت من خلال تحفيز خارجي مثل استخدام قوة ميكانيكية، أو حرارة، أو مجال مغناطيسي. وفي هذا البحث، استخدم الفريق الطاقة المُخزنة في المواد المٌتمددة. فبعد أن يزول هذا التمدد تقوم المادة بإعادة تشكيل نفسها. ثم بعد المعالجات الحرارية تتحول المادة للسيراميك.
السيراميك الناتج بهذه الطريقة يمتاز بأن له خواص ميكانيكية قوية. حيث له قوة تحمل ضغط بالنسبة للكثافة تصل إلى (547 ميجا باسكال على 1.6 جرام/سم3)، بالإضافة إلى أنه يمكن إنتاج أحجام كبيرة منه مقارنةً بالسيراميك المطبوع بالطرق الأخرى.
يقول البروفيسير جيان لو Jian Lu رئيس الفريق وعالم متميز في المواد:” تبدو هذه العملية سهلة، ولكنها في الحقيقة عكس ذلك تماماً. من بداية تكوين الحبر وتطوير نظام الطباعة استغرقنا العديد من المحاولات والطرق. فقد كان هناك العديد من العوامل التي يمكن أن تؤثر على المنتج النهائي.” استغرق الفريق عامين ونصف للتغلب على المشاكل، وتطوير نظام كامل للطباعة رباعية الأبعاد (D4).
طريقتين لطباعة السيراميك
في الطريقة الأولى تم استخدام الحبر الجديد في طباعة القاعدة والمواد بالطابعة ثلاثية الأبعاد (D3). وتم تمديد القاعدة باستخدام جهاز تمدد ذو محورين، وتثبيتها لطباعة باقي المواد عليها. بعد ذلك تم طباعة باقي المواد على القاعدة. وعن طريق التحكم في الوقت وإزالة التمدد من القاعدة باستخدام الكمبيوتر، حصلنا على الشكل المطلوب من المادة.
في الطريقة الثانية، تم طباعة النمط المطلوب مباشرة على السيراميك المتمدد. وبعد ذلك تم إزالة التمدد من خلال التحكم به من خلال كمبيوتر، ليقوم بعد ذلك بعملية إعادة تشكيل نفسه ذاتياً.
تطبيقات الطباعة رباعية الأبعاد (D4)
يقول البروفيسور لو:” القدرة على تغيير وتنويع شكل المواد المطبوعة يجعلها قابلة للاستخدام في تطبيقات كثيرة.” من التطبيقات الواعدة لطباعة السيراميك هي الأجهزة الإلكترونية. لأن السيراميك له قدرة على نقل الإشارات الكهرومغناطيسية بشكل أفضل من المواد المعدنية. ومع ظهور شبكات الاتصال 5D ستلعب المنتجات السيراميكية دور مهم في تصنيع الأجهزة الإلكترونية. كما أن إمكانية تكوين أشكال معقدة من السيراميك، تسمح للمستهلكين تصميم لوحات فريدة لهواتف المحمول من السيراميك.
كما يمكن استخدام هذا الابتكار في صناعة الطيران واستكشاف الفضاء. حيث يقول البروفيسور لو:” السيراميك المُصنع بالطباعة رباعية الأبعاد يمكن استخدامه بشكل جيد في مكونات الدفع في مجال الفضاء الجوي؛ وذلك لأن السراميك له خواص ميكانيكية قوية تُمكنه من تحمل درجات الحرارة العالية.”