دراسات

كيفية طباعة الروبوت من نقطة الصفر: ابتكارات ثلاثية الأبعاد أسرع وأكثر مرونة

تخيل مستقبلاً يمكنك فيه طباعة روبوت كامل أو جهاز طبي إلكتروني قابل للتمدد ثلاثي الأبعاد بضغطة زر – دون قضاء ساعات مملة في تجميع الأجزاء يدويًا.

قد يكون هذا الاحتمال أقرب من أي وقت مضى بفضل التقدم الأخير في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بقيادة المهندسين في جامعة كولورادو بولدر. في دراسة جديدة ، وضع الفريق استراتيجية لاستخدام الطابعات المتوفرة حاليًا لإنشاء مواد تدمج المكونات الصلبة والسائلة – وهو إنجاز صعب إذا كنت لا تريد أن ينهار الروبوت الخاص بك.

قال روبرت ماك كوردي ، كبير مؤلفي الدراسة والأستاذ المساعد في قسم بول إم رادي للهندسة الميكانيكية: “أعتقد أن هناك مستقبلًا يمكننا فيه ، على سبيل المثال ، تصنيع نظام كامل مثل الروبوت باستخدام هذه العملية”.

وقد تم نشر هذه ادراسة ونتائجها من قبل ماك كوردي ، مع طلاب الدكتوراه براندون هايز وترافيس هاينزورث ، في 14 أبريل في مجلة Additive Manufacturing.

لطالما كانت الطابعات ثلاثية الأبعاد من اختصاص الهواة والباحثين العاملين في المعامل. إنها جيدة جدًا في صنع الديناصورات البلاستيكية أو الأجزاء الفردية للآلات. لكن MacCurdy يعتقد أنه يمكنهم فعل أكثر من ذلك: من خلال خلط المواد الصلبة والسائلة ، يمكن للطابعات ثلاثية الأبعاد إنتاج أجهزة أكثر مرونة وديناميكية وربما أكثر فائدة. وهي تشمل أجهزة إلكترونية يمكن ارتداؤها بأسلاك مصنوعة من سائل داخل ركائز صلبة ، أو حتى نماذج تحاكي إسفنجة أعضاء بشرية حقيقية.

الطابعات ثلاثية الأبعاد والطابعات العادية

قال MaCurdy: “تجمع الطابعات الملونة بين عدد صغير من الألوان الأساسية لإنشاء مجموعة غنية من الصور”. “الأمر نفسه ينطبق على المواد. إذا كان لديك طابعة يمكنها استخدام أنواع متعددة من المواد ، فيمكنك دمجها بطرق جديدة وإنشاء نطاق أوسع بكثير من الخصائص الميكانيكية.”

لفهم هذه الخصائص ، من المفيد مقارنة الطابعات ثلاثية الأبعاد بالطابعات العادية في مكتبك. تنشئ طابعات الورق صورة عن طريق وضع أحبار سائلة بآلاف البكسلات المسطحة. في المقابل ، تستخدم طابعات Inkjet 3D رأس طباعة لإسقاط حبيبات صغيرة من السوائل ، تسمى “voxels” (مزيج من “الحجم” و “البكسل”) ، واحدة فوق الأخرى.

وعلق ماك كوردي قائلاً: “بعد فترة وجيزة من ترسب هذه القطرات ، فإنها تتعرض لضوء ساطع فوق بنفسجي”. “السوائل القابلة للمعالجة تتحول إلى مواد صلبة في غضون ثانية أو أقل.”

لكنه أضاف أن هناك العديد من الحالات التي قد ترغب في أن تظل فيها تلك السوائل سائلة. بعض المهندسين ، على سبيل المثال ، يستخدمون السوائل أو الشمع لإنشاء قنوات صغيرة داخل موادهم الصلبة ، ثم يقومون بإفراغها في وقت لاحق. إنه يشبه إلى حد ما كيف يمكن أن تقطر قطرات الماء من كهف تحت الأرض.

توصل المهندسون إلى طرق لإنشاء هذه الأنواع من المساحات الفارغة في أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد ، ولكن عادة ما يستغرق تنظيفها الكثير من الوقت والجهد. يجب أن تظل القنوات بسيطة نسبيًا.

قرر ماك كوردي وزملاؤه إيجاد طريقة للتغلب على هذه القيود – فهم أفضل للظروف التي تسمح للمهندسين بطباعة المواد الصلبة والسائلة في نفس الوقت.

صمم الباحثون في البداية سلسلة من عمليات المحاكاة الحاسوبية التي اختبرت فيزياء طباعة أنواع مختلفة من المواد بجانب بعضها البعض. وتحدث ماك كوردي عن إحدى المشاكل الكبيرة وهي: كيف يمكنك منع اختلاط قطرات المواد الصلبة مع المواد السائلة ، حتى عندما تُطبع قطرات المادة الصلبة مباشرة فوق القطرات السائلة؟

ووضح براندون هايز قائلاً: “لقد وجدنا أنه يمكن استخدام التوتر السطحي للسائل لدعم مادة صلبة ، ولكن من المفيد اختيار مادة سائلة أكثر كثافة من المادة الصلبة – نفس الفيزياء التي تسمح للزيت بالطفو فوق الماء ، “.

بعد ذلك ، جرب الباحثون طابعة ثلاثية الأبعاد حقيقية في المختبر. قاموا بتحميل الطابعة ببوليمر قابل للمعالجة ، أو بلاستيك (المادة الصلبة) ، ومحلول تنظيف قياسي (السائل). كانت إبداعاتهم مثيرة للإعجاب: تمكنت المجموعة من طباعة حلقات ملتوية ثلاثية الأبعاد من السائل وشبكة معقدة من القنوات لا تختلف عن المسارات المتفرعة في رئة الإنسان.

وعلق هينسوورث: “كان من المستحيل تقريبًا عمل كلا الهيكلين من خلال الأساليب السابقة”.

واستكمالا لهذا الإنجاز انضم MacCurdy مؤخرًا إلى فريق من الباحثين من CU Boulder و CU Anschutz Medical Campus الذين يطورون طرقًا لطباعة نماذج واقعية ثلاثية الأبعاد من الأنسجة البشرية. يمكن للأطباء استخدام هذه النماذج للتدرب على العمليات وإجراء التشخيصات. سيستخدم المشروع نهج MacCurdy السائل الصلب من بين أدوات أخرى.

وختم MacCurdy  حديثه قائلاً: “نأمل أن تجعل نتائجنا الطباعة ثلاثية الأبعاد بنفث الحبر متعددة المواد باستخدام السوائل والمواد الصلبة في متناول الباحثين والمتحمسين في جميع أنحاء العالم”.

المصدر
sciencedaily

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى