علماء يطورون طباعة ثلاثية الأبعاد تحت الثانية باستخدام نظام Rotating Light Field ميكانيكي متقدم
ملخص المقال: أحرز فريق من الباحثين تقدمًا تقنيًا هامًا في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد volumetric 3D printing عبر تطوير نظام جديد يعتمد على تدوير حقل الإضاءة بدلاً من تدوير العينة. باستخدام تقنية Digital Incoherent Synthesis of Holographic Light Fields (DISH)، تم تحقيق طباعة هندسية ثلاثية الأبعاد في أقل من ثانية واحدة، مع دقة تقارب 19 ميكرومتر عبر عمق واحد سنتيمتر، مما يعد تحسنًا كبيرًا في دقة واستقرار وأبعاد الطباعة. النظام يتيح تصنيع هياكل ميكرومترية بأوقات قصيرة جداً باستخدام مواد منخفضة اللزوجة، ويضع حجر أساس لتقنيات تصنيع ميكانيكية حرارية متقدمة وتصنيع مبتكر سريع.
⚙️ التحديات التقليدية في الطباعة ثلاثية الأبعاد الميكانيكية الحجم
تعتمد التقنية volumetric additive manufacturing على بناء الأجسام المصنوعة بالإضافة عن طريق تكوينها دفعة واحدة بدلاً من التكوين الطبقي التقليدي، مما يحسن بشكل جذري كفاءة عملية التصنيع.
لكن الطرق التقليدية مثل computed axial lithography تواجه مشكلتين أساسيتين في المجال الميكانيكي والضوئي: الحاجة إلى تدوير العينة (عادة الحوض المحتوي على الراتنج) بسرعة عالية لتشكيل البنية، ما أدى إلى ظهور اهتزازات ومشاكل استقرار ميكانيكية أثناء التصنيع.
وقد دفع ذلك الخبراء إلى استخدام راتنجات ذات لزوجة عالية تصل إلى آلاف السينتي بواز لتحقيق ثبات مادي خلال عملية الطباعة البطيئة نسبيًا.
🔧 مبدأ الابتكار: تدوير الضوء بدلاً من العينة
يقدم نظام DISH مفهومًا مبتكرًا يعالج التحديات الميكانيكية عبر تثبيت العينة بدلاً من تدويرها، مع تدوير حقل الإضاءة بنفس السرعة باستخدام بيرسكوب دوار عالي السرعة.
يعمل النظام عند طول موجي 405 نانومتر مع ليزر متماسك ومصدر إضاءة ثابت مع تعديل الأنماط الضوئية بمعدل 17 كيلو هرتز باستخدام Digital Micromirror Device (DMD)، مما يسمح بتكوين أنماط ضوئية هولوجرافية معقدة ومتزامنة مع دوران البيرسكوب بسرعة تصل إلى 10 دورات في الثانية.
هذه الطريقة تقلل الاهتزازات والمشاكل التقنية المرتبطة بالحركة الميكانيكية للعينات، مما يرفع من دقة الاستقرار ويعزز سرعة الطباعة إلى أقل من ثانية واحدة (حوالي 0.6 ثانية للطباعة).
🔥 نموذج موجي متقدم وهولوجرام دقيق
ابتعد الباحثون عن نموذج الأشعة التقليدي، واعتمدوا على نموذج wave-optics الذي يأخذ في الحسبان الانعراج والانكسار عند واجهة الهواء-المادة، وهو أمر حيوي لتحسين الدقة والحدة عبر حجم الطباعة.
يستخدم النظام خوارزمية تحسين تدريجية من الخشن إلى الناعم لضبط أنماط الإضاءة وضمان توزيع ثابت ومتوازن لشدة الضوء خارج مستوي البؤرة الطبيعي.
كما تم اعتماد نظام معايرة تكيفي باستخدام كاميرتين متعامدتين للكشف وتصحيح الانحرافات الجزئية على مستوى البيكسل، ما يعزز من دقة تنسيق الزوايا وتناسق التعرض الضوئي.
🚗 دقة مميزة على مدى عمق سنتيمتر
تتميز تقنية DISH بدقة تقريبية تبلغ 19 ميكرومتر للميزات المكانية ومستوى ثبات رائع على عمق يصل إلى 1 سنتيمتر، متجاوزة بشكل كبير عمق المجال الطبيعي للعدسة المستخدمة الذي يبلغ حوالي 0.4 مم فقط.
التجارب الهندسية أظهرت دقة في خطوط عرض موحدة تصل إلى 11 ميكرومتر عبر كامل عمق الطباعة، وتحديد أقل ميزات إيجابية مستقلة بحجم 12 ميكرومتر، وهو مؤشر قوي على تحكم عالي في تفاصيل الهياكل المطبوعة.
مقارنات مع تقنيات الإضاءة الخلفية (back-projection) التقليدية أظهرت حواف أكثر حدة وتجانسًا محسّنًا خاصة في المناطق خارج المركز، حيث كانت تأثيرات ضبابية الضوء أكبر سابقًا.
🏭 طباعة على مواد منخفضة اللزوجة وتحسينات صناعية
في مجال التطبيقات الصناعية، قدرة النظام على العمل مع مواد ذات لزوجة منخفضة تفتح أفاقًا جديدة في التصنيع الدقيق. استطاع الباحثون طباعة تركيب Polyethylene Glycol Diacrylate (PEGDA) بزوجة منخفضة تصل إلى 4.7 سنتي بواز، مقارنة بالرواج الصناعي الذي يعتمد على مواد كزوجة تصل إلى 10,000 سنتي بواز.
سبب إمكانية ذلك هو سرعة التصلب السريع التي تتم خلال 0.6 ثانية، ما يقلل حركات الانجراف الجوري أثناء عملية التصلب السريع.
كما نجح النظام في التعامل مع راتنجات عالية اللزوجة ومواد حيوية مثل Gelatin Methacrylate (GelMA) وSilk Fibroin Methacrylate (SilMA)، ما يعزز من مرونة التطبيقات بين الصناعات الميكانيكية والطبية الحيوية.
🔥 مزايا هندسية للعمل ضمن بيئات محدودة
اعتماد الإضاءة أحادية الجانب في النظام يسهل الطباعة في بيئات مغلقة مثل أطباق بيتري، أو على ركائز مثبتة، وهي ميزة هامة في تصنيع هياكل دقيقة داخل بيئات محددة أو تطبيقات بيولوجية.
تكامل النظام مع قنوات سائلة يسمح بإنتاج متتابع لهياكل متعددة بشكل مستمر، مما يعزز إمكانيات الأتمتة الميكانيكية ويحسن من كفاءة خطوط الإنتاج.
⚙️ الأداء والإمكانيات المستقبلية
تُقدر معدلات معالجة الـvoxels في النظام بحوالي 1.25 × 108 في الثانية، وهو معدل قياس لعدد نقاط البناء ثلاثي الأبعاد التي يُمكن تصنيعها خلال زمن محدد بحجم voxel معين وحجم البنية.
يرى الباحثون أن استخدام ليزرات أعلى قوة ومعدلات تعديل أسرع في المعدات يمكن أن يزيد من معدلات الطباعة، ما هو مُهم في تلبية متطلبات التصنيع الصناعي الكبير.
تحليل السطح أظهر أن الإضاءة المائلة تقلل التشويشات أوartefacts الناتجة عن نمط الخطوط Stripe-like speckle بالمقارنة مع الأنظمة ذات الإضاءة العمودية.
لكن عملية تحسين الهولوجرام تحتاج إلى حسابات خارجية مكثفة، ويُقترح استخدام تسريع GPU أو الذكاء الاصطناعي neural-network-based لتقليل وقت المعالجة وتحقيق تطبيق أسهل في بيئة تصنيع أوتوماتيكية.
🚗 مستقبل الطباعة الميكانيكية الحجمية السريعة
يُعتبر فصل الإضاءة الزاويّة عن حركة العينة، والتوليف الدقيق للحقل الضوئي الهولوجرافي عبر نمذجة موجية أساسًا جديدًا لتجاوز القيود التقليدية في الدقة وعمق الطباعة volumetric.
من المتوقع أن تؤدي هذه الابتكارات إلى نماذج تصنيع أسرع وأكثر استمرارية، صالحة للاستخدام في مواد الأكريلات وأنظمة حيوية أخرى.
المهام القادمة ستتركز على ابتكار تقنيات الحساب المدمجة، تحسين الأشكال البصرية لتقليل فقدان الدقة المحورية missing-cone، وتوسيع حجم أنظمة الإضاءة projection hardware في مجال التصنيع الميكانيكي.