تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد احدثت ثورة في مجالات الرعاية الصحية والهندسة الطبية الحيوية والتصنيع والتصميم الفني.
وجدت تطبيقات ناجحة على الرغم من أن معظم تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكنها فقط إنتاج أجزاء مصنوعة من مادة واحدة في كل مرة. يمكن تطوير تطبيقات أكثر تعقيدًا إذا استخدمت الطابعات ثلاثية الأبعاد مواد مختلفة وإنشاء أجزاء متعددة المواد.
تطور تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد
يستخدم بحث جديد أطوال موجية مختلفة من الضوء لتحقيق هذا التعقيد. طور العلماء في جامعة ويسكونسن ماديسون طابعة ثلاثية الأبعاد جديدة تستخدم أنماطاً من الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية لتحديد أحد المونومرين المستخدمين للبلمرة وتشكيل مادة صلبة.
توفر أنماط مختلفة من الضوء التحكم الفراغي اللازم لإنتاج أجزاء متعددة المواد. نُشر هذا العمل في 15 شباط في مجلة Nature Communications.
يقول أستاذ الكيمياء أ.ج. بويدستون A.J. Boydston الذي قاد العمل الأخير مع طالبة الدراسات العليا يوهانا شوارتز في جامعة ويسكونسن ماديسون “إنّ الطباعة ثلاثية الأبعاد لأمر مدهش، لكن في كثير من الحالات لا تقدم إلا لونًا واحدًا، “يحتاج هذا الحقل إلى لوحة ألوان كاملة.”
عرف بويدستون وشوارتز أن مواد الطباعة المحسنة تتطلب منهجًا كيميائيًا يُكمّل التطورات الهندسية.
IMAGE COURTESY A.J. BOYDSTON AND JOHANNA SCHWARTZ
أراء العلماء في تقنيات الطباعة
بويدستون
يقول بويدستون “هذا تحول في طريقة تفكيرنا في الطباعة ثلاثية الأبعاد مع أنواع متعددة من المواد في مشروع واحد. إنه نهج كيميائي تصاعدي من الجزيئات إلى الشبكات.”
الطباعة ثلاثية الأبعاد هي عملية إنشاء كائنات ثلاثية الأبعاد صلبة من ملف رقمي عن طريق إضافة طبقات رقيقة من المواد على التوالي فوق بعضها البعض. تستخدم معظم طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد خزانات منفصلة من المواد للحصول على مواد مختلفة في المواضع المناسبة.
لكن بويدستون أدرك أن اتباع نهج التصنيع من وعاء واحد متعدد المكونات – على غرار نهج الاصطناع الكيميائي في وعاء واحد – سيكون أكثر عملية من استعمال خزانات متعددة بمواد مختلفة. يعتمد هذا النهج على قدرة أطوال موجية مختلفة من الضوء على التحكم في مواد البدء التي تتبلمر في أقسام مختلفة من المنتج الصلب. تبدأ مواد البدء هذه كمواد كيميائية بسيطة، تعرف باسم المونومرات، تتبلمر معًا في سلسلة طويلة من المواد الكيميائية، بطريقة مشابهة لتصنيع البلاستيك.
شوارتز
تقول شوارتز: “إذا كنت تستطيع تصميم عنصر في برنامج PowerPoint بألوان مختلفة، فيمكننا طباعته بتركيبات مختلفة بناءً على تلك الألوان.”
يقوم الباحثون بإنشاء صور رقمية متعددة، تنتج عند تكديسها تصميمًا ثلاثي الأبعاد. تتحكم الصور في الضوء المستخدم -الضوء فوق البنفسجي أو المرئي- لبلمرة مواد البدء، والتي تتحكم في المادة النهائية وخصائصها مثل الصلابة. يوجه الباحثون الضوء من جهازين في وقت واحد باتجاه وعاء مواد البدء السائلة، حيث يتم بناء الطبقات واحدة تلو الأخرى على منصة. تتحرك منصة التصميم للأعلى بعد بناء طبقة واحدة، ويساعد الضوء في بناء الطبقة التالية.
العقبة التي واجهت كل من بويدستون وشوارتز
كانت العقبة الرئيسية التي واجهها بويدستون وشوارتز هي تحسين كيمياء المواد الأولية. فكّروا أولاً في كيفية تفاعل المونومرين معًا في وعاء واحد.
وكان عليهم أيضًا التأكد من أن المونومرات ذات أوقات تفاعل متشابهة بحيث تجف المواد الصلبة والناعمة داخل كل طبقة في نفس الوقت تقريبًا.
بإمكان بويدستون وشوارتز الآن بوجود الكيمياء الصحيحة في مكانها الصحيح تحديد المكان الذي يتم فيه معالجة كل مونومر داخل الكائن المطبوع، باستخدام الأشعة فوق البنفسجية أو المرئية.
“في هذه المرحلة، أنجزنا وضع المواد الصلبة بجانب المواد اللينة في خطوة واحدة فقط “، كما يقول بويدستون. “هناك العديد من العيوب، ولكن هذه تحديات جديدة مثيرة.”
يريد بويدستون الآن معالجة هذه العيوب والإجابة على الأسئلة المفتوحة، مثل أنواع مجموعات المونومرات الأخرى التي يمكن استخدامها.
وما إذا كان يمكن استخدام أطوال موجية مختلفة من الضوء لعلاج هذه المواد الجديدة.
ويأمل بويدستون أيضًا في تجميع فريق متعدد التخصصات يمكنه زيادة تأثير الطباعة ثلاثية الأبعاد، متعددة المواد، المُتحكَّمة بالطول الموجي.
يمكن لنهج الباحثين الجديد في الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد أن يمكّن المصممين والفنانين والمهندسين والعلماء من إنشاء أنظمة أكثر تعقيدًا مع الطباعة ثلاثية الأبعاد. يمكن أن تشمل التطبيقات إنشاء أجهزة طبية مخصصة، مثل:-
الأطراف الاصطناعية.
أو تطوير محاكاة للأعضاء والأنسجة.
- ويمكن لطلاب الطب استخدام هذه الأعضاء الاصطناعية للتدريب بدلاً من، أو قبل العمل، مع المرضى.
تقول شوارتز إن استخدام الطرق الكيميائية لإزالة عنق الزجاجة في الهندسة هو بالضبط ما تحتاجه صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد للمضي قدمًا.
“هذا الربط بين الكيمياء والهندسة هو ما سيدفع الحقل إلى آفاق جديدة”.
المصادر:
J. J. Schwartz, A. J. Boydston. Multimaterial actinic spatial control 3D and 4D printing. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-08639-7
Light provides control for 3D printing with multiple materials. University of Wisconsin-Madison News. Retrieved December 4, 2019, from https://news.wisc.edu/light-provides-control-for-3d-printing-with-multiple-materials/
