3D-Printed Microscopic Particles Could Change Medicine and Electronics

الثورات في عالم الطبع ثلاثي الأبعاد تحدث بسرعة. في وقت سابق من هذا الشهر، أنشأت شركة في ألمانيامنزل الموج، وهو أكبر مبنى مطبوع ثلاثي الأبعاد في أوروبا، ويبلغ مساحته 600 متر مربع (6,600 قدم مربع)، وله مظهر غير عادي على أنه يحتوي على تصميم الموجة الذي لا يمكن تحقيقه من خلال الطرق التقليدية للبناء. ساهمت تقنية الطبع ثلاثي الأبعاد في البناء في منح حرية التصميم واستغرق الأمر حوالي 140 ساعة.

في الأسبوع الماضي، تم افتتاح أول مسجد مطبوع ثلاثي الأبعاد في جدة، المملكة العربية السعودية، ويغطي مساحة 5,600 متر مربع. استغرق بناء المسجد ستة أشهر.

عندما يتعلق الأمر بتكنولوجيا الطبع ثلاثي الأبعاد، قامت شركة ICON التابعة لشركة تكساس مؤخرًا بإطلاقطابعة ثلاثية الأبعاد تعمل بالذراع الروبوتي تسمى فينيكس. يمكن لهذه الطابعة إنشاء هياكل متعددة الطوابق مع أنظمة مغلقة بالكامل من مزيج منخفض الكربون. يبلغ ارتفاع فينيكس 70 قدمًا، مما يسمح ببناء أعلى (يصل إلى 27 قدمًا) مقارنة بطابعة ICON الحالية، فولكان، التي تحتوي على نظام جانتر مع هيكل أقرب إلى الأرض.

كما أعلنت الشركة عن تطوير مزيج جديد من المواد يسمى كاربون إكس، وهو “أدنى نظام بناء سكني منخفض الكربون جاهز للاستخدام على نطاق واسع”. بالإضافة إلى ذلك، قامت ICON بدمج الذكاء الاصطناعي في أنظمتها بحيث يمكن لأي شخص تصميم مخططات المنازل القابلة للطباعة ثلاثي الأبعاد من خلال منصة فيتروفيوس.

لكن هذا ليس كل شيء. في الشهر الماضي، سمحت تقنية الطبع ثلاثي الأبعاد بإنشاءعينين بلاستيكيتين واقعيتين للغاية في غضون 90 دقيقة، بالمقارنة مع الوقت الذي يستغرقه تقني ماهر لصنع واحدة يدويا، وهو 8 ساعات. ثم هناك طباعة ثلاثية الأبعاد للطائرات بدون طيار والمركبات الدافعة والمتفجرات.

تتقدم تقنية الطبع ثلاثي الأبعاد، كماcovered فيما فوق، بسرعة، مما يفسر ذلك بزيادة الاهتمام بهذا المجال. وقد تم تحفيز هذا الاهتمام المتزايد بسبب قدرة هذه التقنية على صنع أشكال مخصصة وطباعة أنواع متعددة من المواد في جزء واحد، مما يوفر المال والمواد ويحافظ على البيئة.

تسمى أيضًا التصنيع الإضافي، ي涉ل الطبع ثلاثي الأبعاد ترسيب طبقات من المواد باستخدام طابعة لإنشاء كائن. ومع ذلك، فإنه لا يخلو من تحدياته، لا سيما فيما يتعلق بالمواد المحدودة وتصوير مواد معينة وحجم محدود وعدم دقة التصميم والمزيد.

لذلك، يعمل العلماء على إيجاد طرق لتحقيق هذه التحديات وجعل الطبع ثلاثي الأبعاد أكثر فعالية وملاءمة للعمل على نطاق واسع.

最近، تم تصميم عملية جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد على المستوى المايكروي التي تطور الجسيمات، بسرعة تصل إلى مليون جسيم في اليوم، فيالشكل تقريبًا لأي استخدام في التصنيع، والطب، والبحث.

الطباعة ثلاثية الأبعاد للجسيمات الدقيقة

نشرت في مجلة نيتشر، والدراسة تسمى “الطباعة ثلاثية الأبعاد من نوع رول تو رول، بدقة عالية للجسيمات المحددة الشكل” وأجريت من قبل باحثين من جامعة ستانفورد.

تضمنت الدراسة جايسون إم كروننفيلد، طالب دكتوراه في قسم الكيمياء بجامعة ستانفورد، في حين يعمل لوكاس روثر وماريا تي دولاي في قسم الأشعة. يعمل ماكس إيه ساكون وجوزيف إم دي سيمون في قسم الأشعة وكذلك في قسم الهندسة الكيميائية.

في الدراسة، أشار الباحثون إلى كيفية زيادة شعبية تصنيع الجسيمات بفضل تطبيقاتها المتنوعة في الإلكترونيات الدقيقة، والمواد الخشنة، والأنظمة الحبيبية، والميكروفلويديك، والهندسة الحيوية، وتسليم الأدوية واللقاحات.

على الرغم من أن الجسيمات ثلاثية الأبعاد الصغيرة لها تطبيقات واسعة، إلا أنها تتطلب تنسيقًا دقيقًا بين حركة المرحلة، وتسليم الضوء، وخصائص الراتنج (مادة لزجة للغاية). هذا يجعل من الصعب تحقيق تصنيع الجسيمات المايكروية المخصصة على نطاق واسع.

لذلك، قدم باحثو ستانفورد تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد بدقة عالية، وهي قابلة للتوسيع لتصنيع الجسيمات المحددة الشكل. تعتمد هذه تقنية المعالجة على الإنتاج المستمر للواجهة السائلة، أو رول تو رول سي إل آي بي، وهي أكثر كفاءة في طباعة كميات كبيرة من الجسيمات المايكروية المخصصة والمفصلة للغاية في اليوم.

وفقًا لمؤلف الدراسة الرئيسي، كروننفيلد، وهو مرشح دكتوراه في مختبر دي سيمون، فإن هذه التقنية تسمح بإنشاء أشكال أكثر تعقيدًا على المستوى المايكروي، من مجموعة واسعة من المواد، وبالسرعات التي لم تُر قبلها في تصنيع الجسيمات.

تستند الأبحاث إلى تقنية الطباعة تسمى الإنتاج المستمر للواجهة السائلة، والتي تم تقديمها قبل ما يقرب من عقد من الزمان، في عام 2015، من قبل دي سيمون وزملائه.

تستخدم تقنية سي إل آي بي ضوء الأشعة فوق البنفسجية وترسله في شرائح لتصلب الراتينج بسرعة في الشكل المطلوب. ما يميز هذه التقنية هو أن هناك نافذة فوق مشروعور الأشعة فوق البنفسجية تسمح للأكسجين بالدخول. تمنع هذه النافذة نفاذية الأكسجين من الالتصاق بالراتنج السائل، مما يمنع التصاق الراتنج السائل بها، وبالتالي يمكن تصلب الميزات الدقيقة دون تمزق كل طبقة من النافذة، مما يؤدي إلى طباعة الجسيمات بسرعة أكبر.

قال دي سيمون، وهو أستاذ سانجيف سام غامبير لطب الترجمة في ستانفورد، والذي كان مسؤولاً عن العديد من الابتكارات في مجالات الأجهزة الطبية، والنانو الطب، والطباعة ثلاثية الأبعاد:

“استخدام الضوء لتصنيع الأجسام بدون قوالب يفتح أفقًا جديدًا في عالم الجسيمات.”

يجعل من الممكن حدوث ذلك على مستوى قابل للتوسيع، ويمكن أن يوفر المزيد من الفرص لاستخدام هذه الجسيمات “لدفع صناعات المستقبل”، أضاف.

انقر هنا لمعرفة ما يجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد سوقًا محتملًا بقيمة 500 مليار دولار.

رول تو رول سي إل آي بي لتمكين الإنتاج الشامل

بناءً على تقنية سي إل آي بي، أنشأ الباحثون عملية جديدة لتصنيع الجسيمات النانوية الفريدة الشكل. أولاً، شدوا فيلمًا بعناية وأرسلوه إلى طابعة سي إل آي بي، حيث تم طباعة مئات من الأشكال على الفيلم في نفس الوقت.

ثم يتم نقله إلى الغسيل والتجفيف وإزالة الأشكال. يمكن تخصيص جميع هذه الخطوات حسب المادة المستخدمة والشكل المطلوب. يتم لف الفيلم الفارغ أخيرًا، وبالتالي اسم رول تو رول سي إل آي بي.

سمح استخدام البصريات بدقة 微ن، مع لف مستمر من الفيلم بدلاً من منصة ثابتة، للباحثين بالحصول على تصنيع قابل للتبديل بسرعة وكذلك رفع الجسيمات من مواد مختلفة ومع геометريات أكثر تعقيدًا.

وفقًا للدراسة، شملت الهندسة المعمارية تلك التي لا يمكن تحقيقها بتقنيات القوالب المتقدمة، مما يظهر القدرات الفريدة لمنهج الفريق.

تم عرض أشكال قابلة للصياغة و非 قابلة للصياغة من رول تو رول سي إل آي بي مع أحجام بيكسل تبلغ 2.0 × 2.0 µm2 في الطباعة وسمك غير مدعوم يبلغ 1.1 ± 0.3 µm.

قبل رول تو رول سي إل آي بي، يجب معالجة دفعة من الجسيمات المطبوعة يدوياً، وهو عملية بطيئة تتطلب جهدًا физيًا كبيرًا. تسمح أتمتة رول تو رول سي إل آي بي الآن بتصنيع على مستوى غير مسبوق، أي ما يصل إلى 1,000,000 جسيم في اليوم.

تم تحقيق عملية طباعة الجسيمات بالكامل من خلال استبدال لوحة البناء الثابتة لطابعة سي إل آي بي بنظام رول تو رول متواصل ومتوافق. هذا يسمح بالمعالجة التلقائية في الخط التي تشمل التنظيف والتجفيف بعد الطباعة ورفع الجسيمات (الحصاد).

في ورقته، أشار الفريق إلى أن أحد المزايا الكبيرة لاستخدام تقنية رول تو رول سي إل آي بي لتصنيع الجسيمات هو عملية عدم وجود قوالب بشكل固 hữu. هذا يسمح بإنتاج مجموعة واسعة من هندسة الجسيمات دون الحاجة إلى تغيير التصميم.

عندما يتعلق الأمر بتصنيع الجسيمات، فإن النهج المختلفة تتضمن تحكمًا بين القابلية للتوسيع والسرعة والاتساق وخصائص المواد والتحكم الهندسي. على سبيل المثال، في حين أن بعض العمليات يمكن أن تطبع على نطاق النانومتر، فإنها تميل إلى أن تكون أبطأ.

“نحن نتنقل بين توازن دقيق بين السرعة والدقة”، قال كروننفيلد. وأضاف أن تقنيتهم “متميزة بقدرتها” على إنتاج مخرجات بدقة عالية، ولكنها يمكن أيضًا الحفاظ على السرعة اللازمة لتحقيق أحجام إنتاج الجسيمات المطلوبة لتطبيقات مختلفة.

أضاف:

“التقنيات التي لها تأثير قابل للترجمة يجب أن تكون قابلة للتكيف بسهولة من مستوى مختبر البحث إلى الإنتاج الصناعي.”

تطبيقات واسعة

الدراسة، التي تم تمويلها من برنامج منحة البحث التأسيسي الوطني وبرنامج منحة بيل ومليندا غيتس، تهدف إلى أن يتم تبنيها على نطاق واسع من قبل باحثين آخرين وصناعة.

مع تطور الطباعة ثلاثية الأبعاد بسرعة، تقف رول تو رول سي إل آي بي هنا كتكنولوجيا أساسية، وفقًا لدي سيمون، وهو مدير تأسيسي لمشورة ستانفورد للعلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات، ومدير تنفيذي لمركز كاناري في ستانفورد للكشف المبكر عن السرطان، وعضو هيئة تدريس في سارافان تشيم-إتش.

然而، وفقًا لدي سيمون، بدأت الصناعة في التركيز على المنتجات ثلاثية الأبعاد بدلاً من هذه العمليات، والتي تصبح “واضحة القيمة والفائدة”. لذلك، السؤال الآن هو:

“ما هي التطبيقات القيمة العالية؟”

وفقًا للدراسة، تمكن الجسيمات الدقيقة ذات التصاميم المعقدة من التكامل المباشر في التطبيقات التحليلية والبيولوجية والمتقدمة للمواد.

قام الباحثون أنفسهم بتجربة إنتاج الجسيمات الناعمة والصلبة، المصنوعة من الهيدروجيل، والتي يمكن أن تُستخدم في تسليم الأدوية في الجسم، والكيراميك، والتي يمكن استخدامها في تصنيع الإلكترونيات الدقيقة.

من خلال استخدامها في إنتاج جسيمات الهيدروجيل، يصبح من الممكن ملء هذه الجسيمات لتحقيق ملفات إطلاق قابلة للتعديل، أو متدرجة، أو متقطعة، في حقنة واحدة. قام العديد من الدراسات السابقة بتحقيق نظام راتينج фотополيمر مناسب ودراسة تأثير شكل وขนาด ومتانة المواد على الموقع وتسليمها. هذا أدى إلى إنشاء هياكل داعمة وسخانات، والتي فتحت العديد من الفرص لتصنيع جسيمات الهيدروجيل لتسليم الأدوية على الرغم من عدم وجود إجراء تصنيع قابل للتوسيع.

هنا، أنتج الفريق مكعبات هيدروجيل بحجم 400 µm وملأها يدوياً بـ 8 نانولتر من حمولة ممثلة بعد الطباعة، متبوعة بوضع غطاء هيدروجيل. أشارت الدراسة إلى إمكانية لوحة برمجة للطريق لإطلاق الحمولة من خلال البحث المستقبلي بالاعتماد على دراسات سابقة حول حركية مركبات تسليم الأدوية وتعزيز الخصائص القابلة للتعديل للوزن الجزيئي وسماكة الجدار.

يمكن أن تساعد مرونة المواد والآلية، من السيراميك إلى الهيدروجيل، في إنشاء المواد الذكية. وبالتالي، من خلال إظهار إمكانية التصنيع على نطاق واسع عبر مجموعة واسعة، فإن هذا النهج لإنتاج الجسيمات القابلة للتوسيع يمتلك أيضًا تطبيقات محتملة في أدوات دقيقة والإلكترونيات.

تؤثر الإنتاجية العالية للتقنية (رول تو رول سي إل آي بي) على الإنتاج الصناعي لمكونات دقيقة مثل الروبوتات الدقيقة وأنظمة تسليم الحمولة. هذا يدعم بشكل خاص إنتاج المواد السيراميكية.

من خلال استخدام راتينج سيراميك مسبق لتصنيع جسيمات سيراميك تقنية على نطاق واسع، يمكن أن يكون لها تطبيقات محتملة في الأنظمة الميكانيكية الدقيقة، و تقنيات التخطيط الميكانيكي كمركبات في خليط، وجسيمات موصلة التي تسمح للتطبيقات الصناعية مثل الاتصالات والرعاية الصحية.

وفقًا لدولاي، عالم أبحاث أول:

“هناك مجموعة واسعة من التطبيقات، ونحن مجرد بداية استكشافها. إنه لشيء غير عادي حيث نحن بهذا التقنية.”

الشركات التي تستخدم نهجًا مبتكرًا في التصنيع الإضافي

الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات التي تتقدم في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد:

#1. إتش بي إنك.

اسم معروف في صناعة الطباعة التقليدية، قامت إتش بي إنك بحركات كثيرة في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي تشمل تقنية مالتي جيت فيوجن، المصممة للإنتاج الصناعي. توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد بسرعة عالية و القدرة علىควบคل خصائص كل بيكسل فردي. تشمل منتجات إتش بي جيت فيوجن للإنتاج الصناعي وتصنيع النماذج السريعة سلسلة 5600 لتحسين التطبيقات للإنتاج المرن على نطاق 1، وسلسلة 5400 لتطبيقات الجودة البيضاء، وسلسلة 5200 لإنتاج قطع نهائية ثلاثية الأبعاد قيمة عالية، وسلسلة 4200 لتحسين الإنتاجية والتكلفة.

في هذا الأسبوع، تخطط إتش بي لاظهار قطع مطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مادة جديدة، بي إيه 12 إس، في مؤتمر منتدى الإنتاج الإضافي السنوي في برلين. تم تصميم هذه المادة خصيصًا لحلول البوليمر ثلاثية الأبعاد التي تستخدم في الصناعات وتوفر فوائد مثل تقليل التكلفة وجمال السطح.

بقيمة سوقية تبلغ 29.83 مليار دولار، تُباع أسهم الشركة عند 30.66 دولار، بزيادة 1.1% على أساس سنوي. سجلت الشركة إيرادات تبلغ 53.1 مليار دولار، وأرباحًا لكل سهم تبلغ 3.41 دولار، ومتوسط سعر للربح تبلغ 8.91. وتدفع عائدات أرباح تبلغ 3.62%.

#2. ماتيرياليز إن في.

توفر هذه الشركة البلجيكية مجموعة واسعة من خدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد، بما في ذلك الطباعة المعدنية والبوليمرية. تشتهر الشركة بشكل خاص بخبرتها في قطاع الرعاية الصحية، حيث تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع الغرسات، ودلائل الجراحة، والنماذج التشريحية.

في وقت سابق من هذا العام، قامت ريكو، شركة يابانية لتصوير الصور والإلكترونيات، بشراكة مع ماتيرياليز لجلب طباعة ثلاثية الأبعاد في نقطة الرعاية إلى مستشفيات الولايات المتحدة، مما يسمح بإنتاج نماذج تشريحية لتشريح المريض.

بقيمة سوقية تبلغ 293.56 مليون دولار، تُباع أسهم الشركة عند 5.36 دولار، بانخفاض 24% على أساس سنوي. سجلت الشركة إيرادات تبلغ 278.69 مليون دولار، وأرباحًا لكل سهم تبلغ 0.13 دولار، ومتوسط سعر للربح تبلغ 39.57.

أعلنت الشركة مؤخرًا نتائجها المالية للربع الرابع والعام الكامل 2023، حيث زادت إيراداتها بنسبة 4.1% إلى 65.3 مليون يورو و10.4% إلى 256.1 مليون يورو، على التوالي، على الرغم من “الظروف الاقتصادية والجيو-سياسية المتقلبة”.

أفادت ماتيرياليز أيضًا بوجود 128 مليون يورو من النقد والمتعادل، والتي قال رئيسها التنفيذي، بريجيت دي فيت-فيثين، أنه يجعلهم “في وضع جيد” لمواصلة تقديم حلول برمجية وبرامج ثلاثية الأبعاد مبتكرة.

الخلاصة

كما لاحظنا فيما سبق، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد لها بعض الفوائد العظيمة في العديد من الصناعات، بما في ذلك الطب، والسيارات، والطائرات، والسلع الاستهلاكية، والمجوهرات، والدفاع والعسكرية. بينما تزداد بالفعل فضولًا واستخدامًا، من المتوقع أن يزداد اعتمادها في السنوات القادمة مع زيادة البحث الذي يسمح بإنتاج الأجسام على نطاق واسع. مستقبل الطباعة ثلاثية الأبعاد هو مجرد وعد ساطع، مما يظهر الوعد بثورة التصنيع وإنشاء مستقبل أكثر متانة.