طباعة المجسمات الدقيقة بالإسقاط الضوئي (PµSL): مراجعة شاملة لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة وتطبيقاتها

1. مقدمة عن تقنية PµSL والطباعة ثلاثية الأبعاد

يمثل التصنيع الإضافي، المعروف شائعًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد، تحولًا نموذجيًا عن التصنيع التقليدي الطرحي. فهو يبني الأجسام ثلاثية الأبعاد عن طريق إضافة المواد طبقة تلو الأخرى بناءً على نماذج التصميم بمساعدة الحاسوب الرقمية. يقلل هذا النهج من هدر المواد ويمكن من تصنيع أشكال هندسية معقدة للغاية لا يمكن تحقيقها بالوسائل التقليدية. من المتوقع أن يتجاوز سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد العالمي 21 مليار دولار في أوائل العشرينيات من القرن الحادي والعشرين، مما يؤكد دوره الحاسم في القدرة التنافسية الاقتصادية العالمية عبر قطاعات مثل الإلكترونيات والطب والسيارات والفضاء.

من بين تقنيات التصنيع الإضافي المختلفة، تبرز تقنية طباعة المجسمات الدقيقة بالإسقاط الضوئي كتقنية تصليب ضوئي في حوض ذات دقة عالية. فهي تستخدم الإسقاط المساحي لتحفيز التصليب الضوئي البوليمري، محققة دقة تفاصيل تصل إلى 0.6 ميكرومتر. تقدم هذه المراجعة التي أعدها جي وآخرون (2020) فحصًا شاملًا لتطور تقنية PµSL، وقدراتها التمكينية للتصنيع متعدد المقاييس والمواد، وتطبيقاتها التحويلية عبر تخصصات متعددة.

2. مبدأ عمل تقنية PµSL

2.1 الآلية الأساسية: التصليب الضوئي البوليمري بالإسقاط المساحي

تعمل تقنية PµSL على مبدأ التصليب الضوئي البوليمري، حيث يتصلب راتنج بوليمر ضوئي سائل عند تعرضه لأطوال موجية محددة من الضوء، عادةً الأشعة فوق البنفسجية. على عكس تقنية الطباعة المجسمة التقليدية القائمة على الليزر التي تستخدم ليزرًا نقطيًا مركزًا لرسم الأنماط، تستخدم تقنية PµSL جهاز مرايا دقيقة رقمي أو شاشة عرض بلورية سائلة لإسقاط صورة شريحة ثنائية الأبعاد كاملة للجسم على سطح الراتنج في وقت واحد. تزيد طريقة "الإسقاط المساحي" هذه بشكل كبير من سرعة الطباعة لطبقة معينة مع الحفاظ على الدقة العالية التي يحددها حجم بكسل جهاز الإسقاط.

تتضمن العملية منصة بناء مغمورة أسفل سطح حوض الراتنج مباشرة. يمر مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية عبر القناع الديناميكي (جهاز المرايا الدقيقة الرقمي أو الشاشة البلورية السائلة)، مسقطًا الضوء المنمط على الراتنج، مما يؤدي إلى معالجة طبقة كاملة دفعة واحدة. تتحرك المنصة بعد ذلك، وتُعاد تغطيتها براتنج جديد، ثم تُسقط الطبقة التالية وتُعالج، ملتصقة بالطبقة السابقة.

2.2 مكونات النظام والمنتجات التجارية

يتكون نظام PµSL القياسي من عدة مكونات رئيسية:

• مصدر الضوء: صمام ثنائي باعث للضوء فوق البنفسجي عالي الطاقة أو مصباح.
• معدل ضوء مكاني: جهاز مرايا دقيقة رقمي أو شاشة عرض بلورية سائلة، يعمل كقناع ضوئي ديناميكي.
• البصريات: عدسات لتجميع وتشكيل وتركيز الصورة المسقطة على مستوى الراتنج.
• حوض الراتنج ومنصة البناء: عادةً بقاع شفاف (مثل فيلم PDMS أو FEP) للإسقاط من الأسفل إلى الأعلى.
• مرحلة Z الدقيقة: للحركة الدقيقة طبقة تلو الأخرى.

تم تطوير طابعات PµSL تجارية من قبل شركات مثل BMF Material Technology Inc. (التابعة للمؤلف المشارك)، مما يتيح وصولاً أوسع إلى هذه التقنية عالية الدقة للتطبيقات البحثية والصناعية.

3. القدرات المتقدمة لتقنية PµSL

3.1 الطباعة متعددة المقاييس (دقة 0.6 ميكرومتر)

السمة المميزة لتقنية PµSL هي قدرتها على طباعة هياكل تمتد عبر مقاييس طول متعددة، من ميزات دون الميكرومتر (0.6 ميكرومتر) إلى أجسام بحجم السنتيمتر. يتم تحقيق ذلك من خلال التحكم الدقيق في حجم بكسل الصورة المسقطة عبر التصغير البصري. الدقة $R$ محدودة أساسًا بحد الانعراج البصري، وتقريبًا بواسطة $R \approx k \cdot \lambda / NA$، حيث $\lambda$ هو الطول الموجي، و$NA$ هو الفتحة العددية للبصريات المسقطة، و$k$ ثابت عملية. تستخدم الأنظمة المتقدمة بصريات ذات فتحة عددية عالية وأطوال موجية أقصر للاقتراب من الحد النظري.

3.2 الطباعة متعددة المواد

تسمح التطورات الحديثة لتقنية PµSL بتصنيع هياكل غير متجانسة متعددة المواد. تشمل الاستراتيجيات:

• تبديل الراتنج: استبدال الراتنج في الحوض ميكانيكيًا بين الطبقات.
• أنظمة أحواض متعددة: استخدام أحواض منفصلة لراتنجات مختلفة ونقل القطعة بينها.
• تقنية PµSL بمساعدة الطباعة النافثة للحبر: ترسيب قطرات من مواد وظيفية مختلفة على مناطق محددة من طبقة قبل المعالجة بالإسقاط.

هذا يتيح إنشاء أجهزة ذات خواص ميكانيكية أو بصرية أو كهربائية متغيرة مكانيًا.

3.3 البوليمرات الضوئية الوظيفية لتقنية PµSL

توسع نطاق المواد لتقنية PµSL ليتجاوز الأكريليك والإيبوكسي القياسيين. تسلط المراجعة الضوء على التطورات في:

• راتنجات محملة بالسيراميك والمعادن: لإنشاء أجسام خضراء يمكن تحميصها إلى أجزاء سيراميكية أو معدنية كثيفة بالكامل.
• بوليمرات ذاكرة الشكل: تمكين الطباعة رباعية الأبعاد حيث تتغير أشكال الأجسام المطبوعة بمرور الوقت استجابةً لمحفزات (حرارة، ضوء، مذيب).
• راتنجات متوافقة حيويًا وهيدروجيل: لسقالات هندسة الأنسجة والأجهزة الطبية الحيوية.
• راتنجات مرنة: للروبوتات اللينة والميكانيكا المرنة.

4. التفاصيل التقنية والأساس الرياضي

تخضع حركية التصليب الضوئي البوليمري في تقنية PµSL لجرعة التعرض. يمكن نمذجة درجة التحول $C$ عند نقطة $(x,y,z)$ من خلال تكامل الإشعاع مع مرور الوقت، مع الأخذ في الاعتبار توهين الضوء عبر الراتنج (قانون بير-لامبرت):

$E(x,y,z,t) = E_0(x,y) \cdot \exp(-\alpha z) \cdot t$

$C(x,y,z) \propto \int E(x,y,z,t) \, dt$

حيث $E_0(x,y)$ هو نمط الإشعاع السطحي المحدد بواسطة الإسقاط، و$\alpha$ هو معامل الامتصاص للراتنج، و$z$ هو العمق، و$t$ هو زمن التعرض. التحكم الدقيق في $E_0$ و $t$ أمر بالغ الأهمية لتحقيق جدران جانبية رأسية ومنع الإفراط في المعالجة أو نقصها. الطاقة الحرجة للبلمرة ($E_c$) وعمق الاختراق ($D_p = 1/\alpha$) هما معلمتان رئيسيتان للراتنج.

5. النتائج التجريبية ومقاييس الأداء

تُظهر الأدبيات التي تمت مراجعتها قدرات تقنية PµSL من خلال عدة نتائج تجريبية رئيسية:

• الهياكل الدقيقة ذات النسبة الطولية العالية: تصنيع ناجح لمصفوفات من الأعمدة الدقيقة بأقطار تصل إلى 2 ميكرومتر وارتفاعات تزيد عن 100 ميكرومتر، تُظهر عمودية ممتازة وتوسعًا ضئيلًا للميزات.
• شبكات ثلاثية الأبعاد معقدة: إنشاء مواد ميكانيكية ما فوق الطبيعية بهندسات سطحية ثلاثية الدورية مثل ثماني الأضلاع، وجيرويد، وغيرها على المقياس المتوسط (خلايا وحدة ~100 ميكرومتر). تتحقق الاختبارات الضاغطة على هذه الشبكات من الخواص الميكانيكية المتوقعة مثل نسبة بواسون السالبة (سلوك أوكسيتيك).
• بصريات دقيقة متعددة المواد: دمج مواد بصرية مختلفة داخل مصفوفة عدسات دقيقة واحدة، تم إثباته من خلال تغيير معامل الانكسار عبر الهيكل. تُظهر كفاءة التركيز المقاسة والتحكم في الزيغ أداءً يقترب من البصريات المصقولة تقليديًا.
• مشغلات مطبوعة رباعية الأبعاد: طباعة هياكل ثنائية الطبقة ببوليمرات ذاكرة شكل مختلفة أو معاملات تورم. عند التحفيز الحراري أو بالمذيبات، تطوي هذه الهياكل تلقائيًا إلى أشكال ثلاثية الأبعاد محددة مسبقًا (مثل مكعبات من صفائح مسطحة) بدقة دون الميكرومتر في الحالة المطوية.
• سقالات محاكية للبيولوجيا: تصنيع سقالات هندسة الأنسجة التي تحاكي البنية التربيقية للعظم بمسام مترابطة تتراوح من 50-500 ميكرومتر، تدعم التصاق الخلايا وتكاثرها في المختبر.

ملاحظة: بينما لا يتضمن نص PDF المقدم تعليقات توضيحية محددة للأشكال، فإن الأوصاف أعلاه مُركبة من النتائج النموذجية المقدمة في أدبيات PµSL كما هو موضح في أقسام التطبيق في المراجعة.

6. مجالات التطبيق الرئيسية

6.1 المواد الميكانيكية ما فوق الطبيعية

تعتبر تقنية PµSL مثالية لتصنيع مواد مصممة ذات خواص ميكانيكية غير مسبوقة (مثل نسبة بواسون السالبة، ونسبة الصلابة إلى الوزن فائقة الارتفاع) تحددها تصميماتها الشبكية الدقيقة وليس المادة الأساسية. تشمل التطبيقات مكونات الفضاء خفيفة الوزن، وهياكل امتصاص الطاقة، وغرسات قابلة للتخصيص.

6.2 المكونات البصرية والبصريات الدقيقة

تتيح الدقة العالية والنهاية السطحية الناعمة الطباعة المباشرة للعدسات الدقيقة، ومصفوفات العدسات، والعناصر البصرية الحيودية، والبلورات الفوتونية. تسمح الطباعة متعددة المواد ببصريات متدرجة معامل الانكسار وأنظمة بصرية مدمجة في أجهزة مدمجة مثل أجهزة الاستشعار وأنظمة المختبر على شريحة.

6.3 الطباعة رباعية الأبعاد والهياكل متغيرة الشكل

من خلال الطباعة بمواد تستجيب للمحفزات (مثل بوليمرات ذاكرة الشكل، والهيدروجيل)، تنشئ تقنية PµSL هياكل تغير شكلها أو وظيفتها بمرور الوقت. تتراوح التطبيقات من الروبوتات الدقيقة ذاتية التجميع والهياكل الفضائية القابلة للنشر إلى الأجهزة الطبية التكيفية (مثل الدعامات التي تتوسع عند درجة حرارة الجسم).

6.4 المواد المستوحاة من الطبيعة والتطبيقات الطبية الحيوية

يمكن لتقنية PµSL تكرار الهياكل البيولوجية المعقدة مثل حراشف أجنحة الفراشة، أو أسطح أوراق اللوتس، أو مسامية العظام. تشمل الاستخدامات الطبية الحيوية:

• سقالات أنسجة مخصصة: بهندسة خاصة بالمريض وبنية مسامية لتجديد العظم/الغضروف.
• أجهزة ميكروفلويديك: منصات "عضو على شريحة" مع أوعية دموية ثلاثية الأبعاد مدمجة.
• الإبر الدقيقة وأنظمة توصيل الأدوية: بأشكال تجويف معقدة للإطلاق المتحكم فيه.

7. إطار التحليل: الرؤية الأساسية والتقييم

8. الاتجاهات المستقبلية وآفاق التطبيق

يكمن مستقبل تقنية PµSL في تجاوز دورها كأداة للنمذجة الأولية نحو أن تصبح منصة تصنيع دقيقة قابلة للتطبيق. تشمل الاتجاهات الرئيسية:

• أنظمة التصنيع الهجينة: دمج تقنية PµSL مع عمليات أخرى مثل الطباعة النافثة للحبر لتضمين الإلكترونيات، أو التشغيل الآلي الدقيق لإنهاء الأسطح الحرجة.
• التحكم الذكي في العملية: دمج رؤية الآلة والذكاء الاصطناعي للكشف عن العيوب وتصحيحها في الوقت الفعلي، والتقطيع التكيفي بناءً على الهندسة لتحسين معلمات التعرض.
• التوسع إلى فئات مواد جديدة: تطوير راتنجات للطباعة المباشرة لهياكل كهرضغطية، أو نشطة مغناطيسيًا، أو محملة بخلايا حية (الطباعة الحيوية) بدقة عالية.
• نحو المقياس النانوي: دفع حد الدقة أبعد من خلال الجمع بين تقنية PµSL وتقنيات مثل استنفاد الانبعاث المحفز المستوحى من المجهر فائق الدقة، مما قد يكسر حد الانعراج.
• الإنتاج القابل للتوسع: تطوير عمليات PµSL مستمرة (مثل الأنظمة الدوارة أو القائمة على الناقل) للإنتاج الضخم للأفلام ذات البنية الدقيقة للبصريات، والترشيح، والأجهزة القابلة للارتداء.

الحدود التطبيقية واسعة، وتشمل الروبوتات الدقيقة من الجيل التالي لتوصيل الأدوية المستهدف، والمحفزات المصممة بمساحة سطحية وهيكل مسامي محسنين، ونماذج أجهزة الكم مع باعثات مرتبة بدقة.

9. المراجع

1. Ge, Q., Li, Z., Wang, Z., Kowsari, K., Zhang, W., He, X., Zhou, J., & Fang, N.X. (2020). Projection micro stereolithography based 3D printing and its applications. International Journal of Extreme Manufacturing, 2(2), 022004.
2. Gibson, I., Rosen, D., & Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing (2nd ed.). Springer.
3. Zhu, W., Li, J., Leong, Y.J., Rozen, I., Qu, X., Dong, R., ... & Demirci, U. (2015). 3D-printed artificial microfish. Advanced Materials, 27(30), 4411-4417. (Example of micro-scale 3D printing for bio-inspired devices).
4. Skylar-Scott, M.A., Mueller, J., Visser, C.W., & Lewis, J.A. (2019). Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing. Nature, 575(7782), 330-335. (Context on multimaterial 3D printing challenges).
5. Bauer, J., Meza, L.R., Schaedler, T.A., Schwaiger, R., Zheng, X., & Valdevit, L. (2017). Nanolattices: An emerging class of mechanical metamaterials. Advanced Materials, 29(40), 1701850. (Context on mechanical metamaterials).
6. Kotz, F., Arnold, K., Bauer, W., Schild, D., Keller, N., Sachsenheimer, K., ... & Helmer, D. (2017). Three-dimensional printing of transparent fused silica glass. Nature, 544(7650), 337-339. (Related high-resolution AM for optics).
7. UPS & Consumer Technology Association (CTA). (2016). UPS Pulse of the Online Shopper. (Source for market forecast cited in review).
8. Zhu, Z., Ng, D.W.H., Park, H.S., & McAlpine, M.C. (2021). 3D-printed multifunctional materials enabled by artificial-intelligence-assisted fabrication technologies. Nature Reviews Materials, 6(1), 27-47. (For future outlook on intelligent AM).