طوّر فريق بحثي في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) نظام بثق مبتكر يجمع عدة Extruders صغيرة في مجرى واحد عالي الإنتاجية عبر فوهات خاصة التصميم. يقدم هذا النظام سرعة فقط مع دقة فائقة وقدرات طباعة متعددة المواد، متجاوزًا القيود المعتادة للبثق الكبير مثل الثقل وقلة الدقة في التطبيقات منخفضة الإنتاج. تتيح التكنولوجيا طباعة أجزاء ميكانيكية معقدة تجمع خصائص القوة والمرونة ضمن قطعة واحدة، وتفتح آفاقًا جديدة في قطاعات مثل الفضاء، الطاقة، الدفاع والبناء المدني.

جدول المحتويات

🔧 نظام بثق متعدد الفوهات وتحديات الطباعة التقليدية

تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد على أساس البثق عادة Extruders كبيرة لإنتاج تدفقات عالية من المواد، لكن ذلك يرافقه تحديات عدة. فالأجهزة الكبيرة ثقيلة وتتطلب هياكل دعم (gantries) أو روبوتات قوية ومكلفة لتحريكها، كما أن دقتها تقل عندما تُستخدم بمخرجات منخفضة.

وتؤدي هذه الانخفاضات في الدقة إلى عدم انتظام تدفق المادة المطبوعة، وهو أمر يعرقل تصنيع الأجزاء الصغيرة أو تصميمات مخروطية الشكل، لأنه يستلزم تقليل سرعة الطباعة لتفادي ارتفاع الحرارة التي تسبب الانحناء أو فشل القطعة.

خلاصة تقنية: من أصعب التحديات في الطباعة الميكانيكية الدقيقة هو الحفاظ على تحكم دقيق في تدفق المواد عند سرعات منخفضة للوقاية من العيوب الحرارية.

🔥 الابتكار في نظام البثق الجديد

يُقدم نظام ORNL الجديد حلاً مبتكرًا يستند إلى دمج تدفقات بثق متعددة أصغر حجمًا في تيار واحد متكامل عبر فوهات تُصمّم خصيصًا. يتميز النظام بـ:

مرونة تشغيلية تسمح بإضافة أو تعطيل عدة Extruders صغيرة دون التأثير على جودة الإنتاج.
قدرة على أداء تدفقات إنتاج بمستوى مماثل للمخرجات الكبيرة لكن بوزن أقل بكثير، مما يقلل متطلبات دعم النظام الحركي.
طباعة متعددة المواد ضمن فوهة واحدة، دون الحاجة لتبديل المعدات خلال الطباعة.

هذه التقنية تعيد تعريف مفهوم الطباعة القائمة على البثق، إذ تمكن من تحقيق أبعاد عالية الدقة وابتكارات مادية لم تكن ممكنة سابقًا.

نقطة ميكانيكية مهمة: توزيع تدفقات البثق وتنظيمها عبر نظام متعدد الفوهات يقلل مشاكل التمدد الحراري ويعزز جودة المنتج النهائي.

🚗 تطبيقات صناعية متعددة للأنظمة المتكاملة

يحمل نظام البثق المبتكر فوائد واضحة عبر عدة مجالات صناعية:

الفضاء الجوي: تصنيع ألواح مقاومة للصدمات أو أجزاء تمتص الإشعاع الراداري، تستفيد من دمج المواد بخصائص ميكانيكية مختلفة.
قطاع الطاقة: إنتاج أغلفة مقاومة للنيران وهياكل دعم وحدات الطاقة الحرارية والبطاريات، مع قابلية التوسع لتحديث البنية التحتية للطاقة.
القطاع الدفاعي: بناء ملاجئ خفيفة الوزن وألواح حماية عالية القوة.
البناء المدني: طباعة جسور معززة، ممتصات صدمات للسيارات، وهياكل زوارق متجانسة في قطعة مطبوعة واحدة.

تشكيل الأجزاء باستخدام مواد متعددة ضمن قطعة واحدة يضمن تحسين أداء المنتج النهائي، سواء من حيث تحمل الأحمال أو المرونة أو مقاومة الظروف البيئية.

لماذا هذا مهم صناعيًا؟ الجمع بين مواد متعددة في منتج واحد يوفر وقت التصنيع ويقلل الحاجة للتجميع، وهذا يرفع الاعتمادية ويخفض التكاليف.

🔩 التفاصيل التقنية لنظام الفوهات المبتكر

يرتكز الابتكار في النظام على استخدام nozzle blocks مصنوعة من سبائك النحاس البرونزي – مثال للأداء الحراري والمتانة – والتي تدمج تيارين من البوليمر المصهور قادمين من extruders موازية باستخدام تصميم داخلي خاص.

هذا الأسلوب يسمح:

بالتعامل مع مجموعة متنوعة من المواد ذات الجسيمات الكبيرة (pellet feedstocks).
مضاعفة معدل التدفق المطبوع بسهولة، مع إمكانيات مستقبلية للتوسع إلى ثلاثة أو أربعة أضعاف الإنتاجية.
تقليل المسامية المركزية عبر تصميم فوهة على شكل Y يدمج تدفقات المواد بفعالية عالية.

وفي خطوة متقدمة، طوّر الباحثون فوهة خاصة تولّد قطع بثق من نوع core-and-sheath حيث تغلف مادة مادة أخرى داخليًا. هذه التقنية توسّع نطاق الطباعة متعددة المواد لما يلي:

جمع خصائص ميكانيكية ووظيفية مختلفة داخل شعيرة واحدة.
زيادة الالتصاق بين الطبقات، مما يعالج مشاكل انفصال الطبقات (delamination) التي كانت تحديًا رئيسيًا في الطباعة البوليمرية.

الاحتفاظ بنقاء المواد وتجنّب اختلاطها دون قصد يعزز من جودة الأداء والخصائص المستهدفة للمنتج المطبوع.

ما الذي تغيّر هنا؟ النظام يعزز السيطرة على بنية المنتج على مستوى المادّة، ما يجعل التصاميم المعقدة متعددة الوظائف واقعية وممكنة بسهولة.

🏭 الداعمين والأثر المستقبلي للنظام

قام فريق ORNL بتنفيذ المشروع بدعم من مكتب المعادن الحرجة وابتكار الطاقة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، بالإضافة إلى برنامج SM2ART بالشراكة مع جامعة مين. تم تنفيذ البحث في منشأة تظهر تطلعات أوسع لتحويل الصناعة الأمريكية.

تسهل هذه المبادرات اعتماد تقنيات تلقائية وموفرة للطاقة ضمن صناعات متقدمة، وتدعم زخم تطوير حلول طباعة ثلاثية الأبعاد متخصصة لأنظمة حرارية وميكانيكية عالية الأداء.

🔥 الخلاصة الفنية

نظام ORNL المبتكر للبثق متعدد الفوهات يُمثّل نقلة نوعية في هندسة الطباعة ثلاثية الأبعاد، إذ يجمع بين سرعة الإنتاج وأداء المواد المتعددة بدقة وبوزن منخفض.

يستفيد من الهندسة المتقدمة للفوهات المصنوعة من النحاس البرونزي والتصاميم الداخلية الفعالة، ليتمكن من معالجة تحديات الاعتمادية والمرونة، ويحول التطبيقات المتعددة إلى منتجات ذات خصائص متفوقة.

هذا الابتكار ليس مجرد تحسين تقني، لكنه يعزز القدرات الصناعية في مجالات حرجة ويادرج الطباعة الثلاثية الأبعاد ضمن الحلول الأساسية لتصنيع قطاعات مثل السيارات والفضاء والدفاع والطاقة والبناء.