تحسين إمكانية الوصول إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد مع تقنيات الليزر المزدوج الجديدة لتقليل التكاليف

اكتشف مجموعة من الباحثين المبتكرين طريقة لتقليل تكاليف الطباعة ثلاثية الأبعاد وتحسين الأداء عبر طريقة طباعة جديدة تعتمد على ليزرين. نشر فريق جامعة بوردو دراسة مفصلة دراسة لنتائجهم في المجلة العلمية Optics Express. تتعمق الدراسة في تفاصيل تقنية تصنيع إضافي متقدمة تعتمد على ليزر مزدوج اللون تعزز نموذج البوليمرة ذات الفوتونين الحالي. إليك كل ما تحتاج إلى معرفته.

عمليات التصنيع الإضافي اليوم

لفهم أهمية هذه الدراسة بالكامل، من الحكمة إلقاء نظرة سريعة على تطور عملية التصنيع الإضافي. مفهوم الطباعة ثلاثية الأبعاد كان رحلة مثيرة تشبه أحيانًا الخيال العلمي. هذه الأجهزة انتقلت من الكتب المصورة إلى أحد أكثر الأساليب شيوعًا، وغالبًا ما يكون الطريقة الوحيدة لإنشاء بعض الأجهزة.

استخراج المادة

كانت أول طابعات ثلاثية الأبعاد تستخدم طريقة تُسمى استخراج المادة. كان الفوهة المسخنة تمرر خيطًا من اللدائن الحرارية عبرها. يُسخن الخيط حتى يصبح قابلًا للتشكيل ثم يُطبق بطبقات لتشكيل الشكل المطلوب. هذا النمط من الطابعات ثلاثية الأبعاد هو الأكثر تكلفة المعقولة والأكثر انتشارًا اليوم.

سرير البودرة

تُستخدم طابعات سرير البودرة ثلاثية الأبعاد لإنشاء عناصر معدنية وسيراميك. تدمج هذه الطريقة سريرًا مملوءًا بالبودرة وطابعة نفث حبر ترش مادة ربط. تُنشئ هذه المادة العنصر طبقة بط layer وتستطيع إنتاج تصاميم ثلاثية الأبعاد معقدة. التطورات الأخيرة في هذا النهج جعلت طباعة مواد متعددة وحتى الإلكترونيات ممكنة.

الترسيب المذاب

يستخدم الترسيب المذاب خيطًا من اللدائن الحرارية يُودع باستخدام طرق استخراج المادة. من هناك، تُستخدم الليزرات لتشكيل وتثبيت شكل العنصر بدقة عالية. من الجدير بالذكر أن استخدام الليزرات في قطاع التصنيع الإضافي شائع، حيث تم استخدام تقنية الاستريوليثوغرافيا (SLA) لأول مرة في عام 1984.

البوليمرة ذات الفوتونين (TPP)

اليوم تُعد طريقة البوليمرة ذات الفوتونين (TPP) الأكثر استخدامًا للطباعة الصناعية على مستوى الميكرو. تعتمد هذه الطريقة على ليزرات فمتوثانية مزدوجة يمكنها تشكيل، تجفيف، وتصلب مركبات مخصصة. توفر دقة عالية وتُثبت كطريقة موثوقة لإنشاء هياكل دقيقة وأجهزة صغيرة لا يمكن إنتاجها بطرق أخرى.

مشكلات هذه الطريقة

قادت المشكلات المتعددة في طريقة TPP الباحثين إلى استكشاف بدائل. أولاً، الليزرات الفمتوثانية باهظة الثمن، حساسة، وتتطلب دقة عالية. أي تعديل طفيف قد يجعل هذه الأجهزة تحتاج إلى صيانة مكثفة.

الباحثون

إدراكًا لهذه الكفاءات الضعيفة في الإعداد، وضع الباحثون بقيادة مهندس جامعة بوردو شيانفان شو نهجًا متعدد الطبقات جديدًا يُعد بخفض التكاليف. لتحقيق ذلك، كان على الفريق تجاوز مجموعة من العقبات بدءًا من تداخل الليزر إلى الضبط. إليكم كيف تمكنوا من التغلب على الصعاب وإنشاء عملية تصنيع جديدة تمامًا قد تُقلب السوق رأسًا على عقب.

دراسة الليزرين

تستعرض الدراسة “الطباعة ثلاثية الأبعاد ذات اللونين لتقليل طاقة طباعة الليزر الفمتوثاني” استخدام ليزر منخفض الطاقة للقيام ببعض المهام التي كانت تتطلب سابقًا وحدتين فمتوثانيتين. لتحقيق ذلك، أنشأ الفريق إعدادًا مخصصًا لتقنية الليثوغرافيا ذات الفوتونين. يتضمن هذا الترتيب مسار ليزر ثانوي إلى مستوى الطباعة، مما يتيح للباحثين جمع بيانات فورية قيمة حول تأثير الليزر.

الخطوة 1 – تحضير المادة

كانت الخطوة الأولى التي اتخذها الباحثون هي تمرير المادة عبر عملية كيميائية ضوئية. تساعد هذه العملية على خفض نوعيات المثبط في المادة، مما يجعلها أكثر قابلية للتشكيل بالليزر المستخدم في عملية التشكيل والتجفيف. وبالتالي، مكنت هذه الخطوة الإضافية الباحثين من إلغاء استخدام الليزرات الفمتوثانية المزدوجة.

ليزر منخفض التكلفة

مكنت العملية الجديدة الباحثين من الاستفادة من خيار أقل تكلفة للتفاعلات الأولية للليزر. ألغى الفريق وحدة فمتوثانية واستبدلها بخيار ضوء مرئي يعمل بالتعاون مع الجهاز عالي الطاقة. تم ضبط هذا الليزر منخفض التكلفة ليتكامل مع الليزر الفمتوثاني دون إضافة تداخل.

ليزر فمتوثاني

كان الليزر الفمتوثاني المختار للاختبار ليزر ألياف نبضي بطول موجة 532 نوم (ns) من شركة MPB Communications Inc. يوفر الجهاز قابلية ضبط عالية، مما مكن الفريق من تجربة معدلات تكرار مختلفة. استقر الفريق في النهاية على معدل تكرار 80 MHz وعرض نبضة 1.2 ns.

مرايا الليزرين

تم تركيز النبضات أكثر عبر عدسة هدف زيتية غمر زيتية من نوع Nikon، NA = 1.49 100X. دمج هذا النهج مرايا فائقة السرعة ذات تشتت عالي من Edmund Optics كطريقة لبدء تعويض التشتت المسبق. بالإضافة إلى ذلك، استُخدم ليزر هيليوم-نيون (HeNe) لضمان الدقة. على وجه التحديد، ضمن هذا الشعاع أن مسار الليزر قابل للتكرار.

توازن مع الليزرين

تطلبت الدقة اللازمة لإنشاء عملية التصنيع الجديدة من المهندسين وضع نموذج رياضي جديد. جعل هذا النموذج من الممكن رسم تفاعلات الفوتوبوليمرة عبر الحالات. في الماضي، كانت النماذج المنفصلة تُستخدم لحساب الحالة المثارة وحركية البوليمرة اللاحقة للليزر.

مكن النموذج المحدث الباحثين من قياس التأثير المشترك لعمليات الإثارة ذات الفوتونين والفوتون الواحد في الوقت الفعلي بدقة. سمحت هذه القدرة للفريق بتحديد أدنى متطلبات استهلاك الطاقة للليزر الفمتوثاني لإنجاز مهامه دون فقدان الأداء.

اختبار الليزرين

بعد ذلك، شرع الباحثون في اختبار ابتكارهم على تصاميم متعددة. تم اختيار هذه الهياكل الثنائية والثلاثية الأبعاد المتنوعة بسبب تعقيدها وحجمها. أراد الفريق التأكد من أن أجهزتهم يمكن إنشاؤها على مقياس الميكرو. وبالتالي، كانت أول العناصر التي طُبعت أكوام خشبية مفصلة بأبعاد 25 × 25 × 10 μm.

المصدر – Optica

لم يتوقف الفريق عند الأكوام الخشبية. طبعوا أيضًا كرة بوكي صغيرة، هيكلًا كيراليًا، وعقدة ثلاثية. تم اختيار هذه الأشكال لأنها سمحت للفريق بإظهار جوانب متعددة من بحثهم. إليكم ما تقول نتائج الاختبار عن جهودهم.

النتائج

أظهرت نتائج الاختبار تحسنًا كبيرًا في الوحدة. تمكن الجهاز من طباعة جميع الوحدات باستخدام طاقة أقل بنسبة 50٪. تم تحقيق تقليل الطاقة بطرق متعددة. أولاً، خفض الباحثون الليزرات الفمتوثانية من جهاز بطول موجة 800 nm إلى ليزر بطول موجة 530 nm. أضاف هذا التغيير كفاءة دون تقليل الأداء باستخدام الطريقة الجديدة.

بالإضافة إلى ذلك، تمكنت العملية الجديدة من إنتاج نتائج مماثلة للمعيار الصناعي باستخدام مواد ووقت أقل. على وجه التحديد، خفض الامتصاص الفوتوني الواحد من ليزر بطول موجة مرئي تركيز المثبط بينما قدم نتائج مقاربة.

تكامل سهل

إحدى أكبر مزايا هذه الدراسة هي أن الطريقة الجديدة يمكن دمجها بسهولة في الأساليب الحالية بتكلفة قليلة. سيساعد هذا النهج على خفض التكاليف من خلال إلغاء الحاجة للمصنعين لشراء أجهزة جديدة. بدلاً من ذلك، يمكن تعديل إعداداتهم الحالية لاستخدام الطريقة منخفضة التكلفة الجديدة.

تطبيقات الليزرين

هناك عدة تطبيقات فورية لهذه التقنية. التصنيع الإضافي أكثر شعبية من أي وقت مضى، وأي طريقة لتقليل التكاليف وتحسين الأداء ستحظى بدعم القطاع. إليكم بعض التطبيقات الأخرى لهذه التقنية.

الإلكترونيات الدقيقة/الروبوتات

المقياس المصغر الذي يمكن لهذه الأجهزة الطباعة به يجعلها مثالية للاستخدام في الإلكترونيات الدقيقة والروبوتات. هذه الوحدات صعبة البناء بشكل ملحوظ وأصبحت جزءًا حيويًا من العديد من الصناعات. وبالتالي، سيسهل هذا العملية التصنيعية الجديدة إنشاء ونمذجة هياكل جديدة لاستخدامها في هذه الأجهزة.

الطب الحيوي

الرعاية الصحية هي مجال آخر تُستَخدم فيه هذه الميكروهياكل والأجهزة. تُستخدم الهياكل الدقيقة الآن في هندسة الأنسجة وأجهزة الروبوتات الحيوية الأخرى. تساعد هذه الوحدات الناس على التعافي من الإصابات بشكل أسرع والاستمتاع بجودة حياة محسنة.

الشركات التي قد تستفيد من هذا البحث اليوم

يمكن للعديد من الشركات الاستفادة من هذا البحث في السنوات القادمة. من الطب الحيوي إلى الاستخدام العسكري والصناعي، قد تشهد أنظمة التصنيع الإضافي الدقيقة تحسينًا في الأداء باستخدام طريقة الطباعة بالليزر متعدد الألوان الجديدة. إليكم بعض الشركات التي يمكنها دمج هذه التقنية فورًا ورؤية النتائج.

1. Medtronic

(MDT )

شركة Medtronic الأمريكية هي رائدة عالمية في مجال الأجهزة الطبية. تأسست الشركة في عام 1949 كمرفق لإصلاح الأجهزة الطبية. اليوم، تمتلك الشركة عدة براءات اختراع في التكنولوجيا الطبية وتُعد أحد أكثر الأسماء المعروفة في الصناعة.

كانت Medtronic رائدة في صناعة منظمات القلب وكانت من أوائل من حصلوا على براءة اختراع لجهاز قابل للزرع. منذ ذلك الحين، ظلت قوة مهيمنة في السوق، مستمرة في تقديم تقنيات جديدة لتحسين حياة المرضى. ستحسن دمج طريقة الطباعة بالليزر ذات اللونين عروضهم بشكل كبير من خلال السماح لهم بتقليل حجم أجهزتهم.

تُعد Medtronic واحدة من أنجح الشركات المصنعة للأجهزة الطبية في العالم. في عام 2024، حققت الشركة إيرادات بقيمة 32 مليار دولار. اليوم، تجعل ابتكاراتها المستمرة وموقعها القوي منها إضافة مثالية لأي محفظة.

2. Abbott Laboratories

(ABT )

تُعد Abbott Laboratories موجودة منذ عام 1888. تأسست في إلينوي وسرعان ما نمت لتصبح أحد أكثر الأسماء التعرف عليها في الصناعة. تقدم Abbott Laboratories مجموعة من المنتجات، بما في ذلك الأدوية الصيدلانية، الأجهزة الطبية، المكملات الغذائية، والمكملات الغذائية.

تمتلك Abbott Laboratories منتجات تمتد عبر قطاعات متعددة من الصناعة الطبية. على وجه التحديد، تُعرف بعروضها في مجال القلب، التشخيص، السكري، وتعديل الأعصاب. بالإضافة إلى ذلك، تدير بعض الفروع الشهيرة مثل Pedialyte و Similac، الرائدين في إنتاج حليب الأطفال.

ظل أداء السهم في ارتفاع لشركة Abbott Laboratories. يجمع مزيج الشركة بين الأجهزة الطبية والعروض الغذائية ما يجعلها “احتفاظ” قوي لأي متداول. يبدو المستقبل مشرقًا لهذه الشركة التي تلعب الآن دورًا محوريًا في توفير أجهزة رعاية القلب على مستوى العالم.

المستقبل

قليل من الصناعات شهدت مثل هذه الابتكارات كما هو الحال في سوق التصنيع الإضافي. سيساعد هذا التطور الأخير على دفع استخدام هذه الأجهزة في الروبوتات الدقيقة والأجهزة الإلكترونية مثل الأجهزة القابلة للارتداء. في المستقبل، ستأخذ الأجهزة القابلة للارتداء الدقيقة والأجهزة الطبية القابلة للزرع دورًا أكثر مركزية داخل الصناعة. إليكم بعض التطورات الأخيرة في الطباعة ثلاثية الأبعاد التي قد تساعد في تعزيز الاعتماد.

طابعات الفضاء

حدثت تطورات حديثة في قطاع طباعة الفضاء. تختلف هذه الوحدات عن نظيراتها الأرضية في أنها تحتاج إلى القدرة على طباعة طبقات دون مساعدة الجاذبية. إن إنجاز هذه المهمة ليس سهلًا لأن جميع الأساليب الحالية تتطلب نهجًا طبقيًا.

تمكن الباحثون من التغلب على هذه المشكلات باستخدام بعض الرياضيات المعقدة ومن خلال إغلاق الجهاز. يخدم الغلاف عدة أغراض بما في ذلك حماية رواد الفضاء من الأدخنة المميتة أو أي حوادث أخرى قد تهدد البيئة الحساسة داخل المركبة الفضائية.

طابعات الذكاء الاصطناعي

تزداد طابعات 3D المدعومة بالذكاء الاصطناعي شيوعًا. يترك دمج خوارزميات الذكاء الاصطناعي المتقدمة أثرًا كبيرًا على كل صناعة تقنية تقريبًا. في المستقبل، ستتمكن من طلب طباعة ثلاثية الأبعاد ببساطة عبر الدردشة أو الصوت.

يستمر الذكاء الاصطناعي في توفير طريقة مبسطة للناس لتجاوز الحواجز التقنية. وبالتالي، يُنظر إليه من قبل الكثيرين كواحد من أهم التطورات في السوق. في المستقبل، ستصبح محطات الطباعة ثلاثية الأبعاد المدعومة بالذكاء الاصطناعي وخدماتها شائعة. في الوقت الحالي، يواصل هذا التقنية تبسيط التفاعلات وإزالة العقبات التقنية للمستخدمين الجدد.

روبوتات ذات إصلاح ذاتي

سيناريو خيال علمي آخر أصبح حقيقة هو الروبوتات ذات الإصلاح الذاتي. لم يستغرق الباحثون وقتًا طويلاً لإنشاء طابعة ثلاثية الأبعاد يمكنها طباعة جميع الأجزاء التي تحتاجها لتعمل. الآن، يُطبق هذا المفهوم نفسه على الروبوتات. سيساعد الروبوتات القادرة على الشفاء والإصلاح الذاتي المجتمع في المستقبل، من خلال تولي المهام الصعبة والوظائف التي لا يستطيع الشخص العادي التعامل معها.

الطباعة بالليزر ذو اللونين تحسين كبير

سيكون للعمل الذي قدمه هؤلاء الباحثون تأثيرًا كبيرًا على صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد في المستقبل. يمكنك توقع رؤية المزيد من الروبوتات الدقيقة والأجهزة الإلكترونية التي تستفيد من هذه الطريقة كوسيلة لتقليل التكاليف وتحسين النتائج. وبالتالي، وضع هذا الفريق الأساس لعصر جديد في التصنيع الإضافي الدقيق.

تعرف على مشاريع تصنيع إضافي أخرى رائعة الآن الآن.