المواد الميتامادية المطبوعة ثلاثيًا قد تعيد تعريف سلامة السيارات

إنشاء تصاميم معدنية

Metallurgy is a technology that has been constantly evolving since the primitive metal craft of early civilization. Until recently, most metalworking was still reliant on techniques like molding (melting metal into hollow shapes) or forging (hammering the metal into shape).

ظهور تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد القادرة على معالجة المواد المعدنية أضاف طريقة جديدة تمامًا لإنتاج مكونات معدنية، ونحن لا نزال في بداية استكشاف إمكاناتها.

على سبيل المثال، سبائك التيتانيوم الجديدة, الطباعة ثلاثية الأبعاد المشبعة بالهيدروجين, أو الطباعة الهندسية التي تمتص الاهتزازات.

قام باحثون في جامعة غلاسكو (المملكة المتحدة)، والجامعة التقنية لماركي (إيطاليا)، والمعهد الوطني للفيزياء النووية (إيطاليا) الآن بإنشاء نوع جديد من المواد الميتامادية الملتوية التي قد تحل محل طريقة تصنيع ممتصات الصدمات في السيارات، باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.

نشروا نتائجهم في مجلة Advanced Materials¹ تحت عنوان “Adaptive Twisting Metamaterials”.

امتصاص الصدمات المدمج

عندما تم بناء السيارات لأول مرة، كانت تقريبًا لا تملك أي حماية ضد الحوادث. ثم، قدمت ممتصات الصدمات الأولية مثل صناديق الصدمات والمصدات استجابة قوة‑إزاحة واحدة لجميع سيناريوهات الحوادث التي تواجهها المركبات أثناء التصادم.

تصمم السيارات الحديثة بطريقة تجعل هيكلها، في حالة وقوع حادث، يمتص معظم الطاقة الحركية، مما يحد من كمية الطاقة التي تنتقل إلى الركاب.

“الحاجة المتزايدة للامتثال للمعايير الأمنية المتشددة والمتضاربة في كثير من الأحيان دفعت التركيز نحو تحسين الهيكل للمكونات التضحية، مما يعزز فلسفة التصميم الميكانيكي.”

بالإضافة إلى الانتشار الواسع لأحزمة الأمان، كان هذا الابتكار عاملًا رئيسيًا في خفض عدد الوفيات في حوادث السيارات خلال العقود الماضية.

تم تحقيق ذلك في الغالب بفضل تعديل هندسة الهيكل أو دمج مواد مختلفة معًا داخل ممتصات الطاقة المثبتة لتعزيز تبديد الطاقة.

مع ذلك، يميل امتصاص الطاقة إلى أن يكون ثابتًا، بغض النظر عن السيناريو (على سبيل المثال، الاصطدام بمشاة أو جدار)، لأن استجابة القوة‑الإزاحة تظل ثابتة.

المواد الميتامادية الميكانيكية للربط بين الضغط والالتواء (CTCM)

بديل واعد للطرق الحالية لامتصاص الصدمات هو المواد الميتامادية CTCM (الضغط‑الالتواء الميكانيكي).

تم تصميمها لتحويل الضغط حول محور المادة إلى حركة التواء، بحركة تشبه البرغي، مما يمتص طاقة الصدمة.

هذا يجعل المواد الميتامادية CTCM خطوة واحدة أمام الشبكات المعدنية البسيطة، التي تُضغط فقط تحت الضغط.

تستفيد هذه المواد بالكامل من قدرة تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء أشكال وهياكل معقدة للغاية، وهو ما سيكون من المستحيل بناؤه بأي طريقة أخرى.

تفاعلات تعتمد على القوة

كانت المواد الماصة للصدمات السابقة إما تنحني أو لا تنحني. لذا، لتتمكن من التعامل مع الصدمات الكبيرة، كان عليها غالبًا مقاومة الصدمات الأصغر.

“المواد الوقائية المستخدمة في معظم المركبات اليوم ثابتة، صُممت لسيناريوهات تأثير محددة ولا تستطيع التكيف مع الظروف المتغيرة.”Professor Shanmugam Kumar – University of Glasgow

بدلاً من ذلك، يمكن تعديل الأشكال المعقدة للمواد الميتامادية STCM لتلبية متطلبات محددة.
صمم الباحثون شكلًا يمكنه امتصاص كمية كبيرة من الطاقة حتى عند تأثير صغير، لكنه لا يزال يوفر حماية ضد الصدمات عالية السرعة/الطاقة لاحقًا.

بعد أول نطاق انضغاط (أي إجهاد الانهيار الأولي)، مكنت الليونة في مادة صفائح الجيرود استجابة ضغط مستقرة دون فشل كارثي.

سيجعل ذلك المواد الميتامادية STCM متفوقة على الرغوات التقليدية الحالية أو مناطق الانضغاط، حيث ستوفر مقاومة أكثر صلابة للتصادمات الشديدة أو توسيدًا أكثر نعومة للتأثيرات الخفيفة.

إنشاء ممتصات صدمات جديدة

تم تحقيق هذه النتيجة بإنشاء شكل معقد ومسامية عالية يُعرف باسم شبكة الجيرود. ثم قارنوا الأجزاء الفعلية المنتجة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي تم تحليلها بمسح مقطعي، بالنموذج الحاسوبي CAD.

على الرغم من أن المادة الفعلية اختلفت إلى حد ما عن نموذج CAD، بسبب تراكم المعدن الأكثر كثافة في بعض المناطق (زيادة كثافة بنسبة 11.8٪)، تم التنبؤ بشكل صحيح بمقاومة الصدمة الفعلية.

“عند تطبيق الضغط، تُحول شبكة الجيرود ذلك إلى التواء، ومن خلال تغيير ظروف الحدود، يمكننا ضبط خصائص امتصاص الطاقة.”

هذه المواد يمكنها التكيف وتغيير خصائصها حسب نوع وشدة الصدمة لتخفيف الآثار.

Professor Shanmugam Kumar – University of Glasgow

التطبيقات

في الوقت الحالي، تقتصر الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن في الغالب على صناعات مثل الطيران والفضاء، بسبب التكلفة العالية الأولية لطابعات المعادن ثلاثية الأبعاد. يتغير ذلك بسرعة، حيث أصبحت التقنية ناضجة الآن ويتزايد الإنتاج.

“نعتقد أن هذه المادة قد تجد تطبيقات في كل من سلامة السيارات والفضاء في المستقبل، مقدمة فئة جديدة واحدة من المواد القادرة على التكيف مع الاحتياجات المختلفة حسب المتطلبات.

يمكنها أيضًا دعم تطوير أشكال جديدة من جمع الطاقة، من خلال تحويل الصدمات إلى طاقة حركية دورانية.

”Professor Shanmugam Kumar – University of Glasgow

لذا خلال بضع سنوات، قد نرى فئة جديدة من المواد المتكيفة ضد الحوادث مع امتصاص طاقة قابل للتعديل، وإجهاد انهيار، وصلابة يتم التحكم فيها عبر هياكل الجيرود الملتوية.
اسحب للتمرير →

في البداية، من المرجح أن تقتصر التطبيقات على قطاعات السكك الحديدية والفضاء والدفاع، ثم تتسرب إلى قطاع السيارات الأكبر، من الطرازات الفاخرة إلى الطرازات الأساسية.

الاستثمار في الطباعة ثلاثية الأبعاد

Nano Dimension

كانت Nano Dimension (NNDM ) في البداية تركز على الإلكترونيات المطبوعة ثلاثيًا. يشمل ذلك تقنيات متخصصة جدًا مثل الأحبار الموصلة أو العازلة والسيراميك. يمكن استخدامها، على سبيل المثال، لبناء مكونات بصرية أو راديوية.

هذا أحد التطبيقات المحتملة للطباعة ثلاثية الأبعاد على المستوى النانوي، والتي استكشفناها بمزيد من التفصيل في “Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization”.

ومن الجدير بالذكر أن Nano Dimension نمت من خلال مزيج من الاستحواذات والبحث والتطوير الداخلي. وصل هذا الاستراتيجية إلى مستوى جديد مع the acquisition of Desktop Metal in 2024 .

معًا، ستحظى الشركتان بموقع أقوى بكثير في طباعة المعادن والسيراميك ثلاثيًا على جميع المستويات، من الإلكترونيات إلى المعدات الصناعية الكبيرة والفضاء. كما يخلق ذلك اقتصاديات حجم من خلال دمج قاعدة العملاء التي تشمل SpaceX (SPCX ) ، Tesla (TSLA ) ، GE، Honeywell، Emerson، Raytheon، NASA، Medtronic، وغيرها.

أخيرًا، كانت الشركتان نشطتين في مناطق جغرافية مختلفة، حيث تتواجد Nano Dimension في أوروبا وDesktop Metal في الولايات المتحدة، مما يسمح بتحقيق تآزر من خلال دمج فرق المبيعات.

تدعي الشركة أنها يمكن أن تقلل البصمة البيئية للتصنيع، مع خفض بنسبة 94٪ في انبعاثات CO2، 100٪ في استهلاك المياه، 98٪ في المواد، و82٪ في المواد الكيميائية. بشكل عام، جعل ذلك Nano Dimension تبرز كواحدة من رواد التكنولوجيا في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد.

كان الاستحواذ الآخر الذي تلا ذلك هو استحواذ Markforged مقابل 115 مليون دولار. مع التركيز على معدات التصنيع الإضافي المركبة والمعدنية، يعزز استحواذ Markforged موقف Nano Dimension في سوق طباعة المعادن ثلاثيًا.

“جمال هذا الاندماج وجمال Markforged ومجموعة تقنياتهما هو أنهما لا يتداخلان مع تقنيتنا. التآزر يكمن في التطبيقات للشركات المماثلة.”
Yoav Stern- Nano Dimension CEO

كما أن الشركة، من خلال الاستحواذات والتطوير الداخلي، تتقدم لتصبح رائدة في برامج الطباعة ثلاثية الأبعاد.

مع ذلك، يجب على المستثمرين أن يكونوا على علم بأن صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد ككل لا تزال سلبية من حيث التدفق النقدي، لذا سيتعين على الشركة خفض التكاليف أو النمو بما يكفي لتحقيق ربح في المستقبل.

(يمكنك أيضًا قراءة تقريرنا الاستثماري المفصل حول Nano Dimension لمزيد من المعلومات.)

آخر أخبار وتطورات سهم Nano Dimension (NNDM)

الدراسة المشار إليها:

^{1. Mattia Utzeri, Maria L. Gatto, Edoardo Mancini, Donato Orlandi, Daniele Cortis, Marco Sasso, Shanmugam Kumar. Adaptive Twisting Metamaterials. Advanced Materials. 22 أكتوبر 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202513714}