دليل ومخطط مقياس موس للصلابة النهائي
هل تساءلت يوماً عن صلابة المواد من حولك؟ من نعومة التلك إلى صلابة الألماس التي لا مثيل لها، يقدم لك مقياس موس رحلة رائعة عبر...
تخيل عالماً لا تتشكل فيه الأجسام فحسب، بل تتطور مع مرور الوقت. هذا هو ما تبشر به الطباعة رباعية الأبعاد - وهي قفزة ثورية من الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية، حيث تدمج الزمن كبعد تحويلي. في هذه المقالة، استكشف كيف تستفيد هذه التقنية المتطورة من المواد الذكية لإنشاء هياكل قابلة للتكيف وذاتية التجميع. من الدعامات الطبية إلى الأقمشة الفضائية، من المقرر أن تغير الطباعة رباعية الأبعاد مشهد التصنيع وما بعده. اكتشف أحدث التطورات والإمكانات المستقبلية لهذا الابتكار الرائع.
في فبراير 2011، قدم البروفيسور سكايلر تيبتس، مدير مختبر التجميع الذاتي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في الولايات المتحدة الأمريكية، مفهوم التشكيل من خلال التجميع الذاتي للمواد خلال حديث في مؤتمر TED (التكنولوجيا والترفيه والتصميم) - وهي منظمة غير ربحية مقرها الولايات المتحدة الأمريكية.
في عام 2013، عاد البروفيسور تيبيتس إلى مسرح TED، حيث قدم مفهوم الطباعة رباعية الأبعاد للعالم للمرة الأولى. وقد حظي حديثه باهتمام واسع النطاق في مختلف الصناعات، حيث تم الاعتراف به كمخترع للطباعة رباعية الأبعاد.
ومنذ ذلك الحين، استحوذت الطباعة رباعية الأبعاد على اهتمام عالمي، حيث تقدمت بسرعة في التكنولوجيا وتوسعت في تطبيقات أوسع. واصل البروفيسور تيبيتس ومختبر التجميع الذاتي، بالتعاون مع شركة ستراتاسيس، البحث وتطوير العديد من النماذج المادية للطباعة رباعية الأبعاد، كما هو موضح في الأشكال من 8-1 إلى 8-4.
في الوقت الحالي، لا تزال تقنية الطباعة رباعية الأبعاد في المرحلة الاستكشافية ولم تحقق بعد تطبيقات إنتاجية واسعة النطاق.
ومع ذلك، فهي تنطوي على إمكانات هائلة لإحداث ثورة في تكنولوجيا التصنيع، وتجذب اهتمام العديد من البلدان في جميع أنحاء العالم، وخاصة الولايات المتحدة والصين، مع ظهور إنجازات بحثية متتالية.
في عام 2011، بدأ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أبحاثه في تكنولوجيا الطباعة رباعية الأبعاد؛ وفي عام 2014، كشفت شركة Nervous System الأمريكية عن أول ثوب مجوف مطبوع رباعي الأبعاد؛ وفي عام 2017، استخدمت وكالة ناسا الطباعة رباعية الأبعاد لإنشاء نسج معدنية قابلة للطي، وإعدادها للاستخدام في تصنيع مركبات فضائية مختلفة؛ وفي عام 2016، أصبح فريق خبراء من مستشفى شيجينغ التابع للجامعة الطبية العسكرية الرابعة في الصين، بالتعاون مع مختبر وطني رئيسي محلي، أول من طبق دعامات القصبة الهوائية المطبوعة رباعية الأبعاد في علاج الأطفال الرضع المصابين بأمراض القلب الخلقية المعقدة المصحوبة بتضيق ثنائي شديد في القصبة الهوائية.
وباختصار، تستعد الطباعة رباعية الأبعاد لتغيير النماذج وتوسيع نطاق التفكير وإثارة الترقب والإثارة للمستقبل.
منذ أن قدم البروفيسور سكايلر تيبيتس مفهوم الطباعة رباعية الأبعاد لأول مرة في عام 2013، تم تفسير التعريف من قبل عدد متزايد من العلماء، مما أدى إلى مجموعة متنوعة من الأوصاف وبعض النقاش، دون التوصل إلى توافق في الآراء. تجدر الإشارة إلى أنه مع استمرار تطور تكنولوجيا الطباعة رباعية الأبعاد، أصبح محتواها المفاهيمي أكثر ثراءً أيضًا.
أولاً، يقدم هذا الكتاب شرحاً شاملاً للطباعة رباعية الأبعاد كما وصفها البروفيسور سكايلر تيبيتس وهي كالتالي: الطباعة رباعية الأبعاد هي عملية جديدة توضح تحولاً جذرياً في التصنيع المضاف. وهي تنطوي على مطبوعات متعددة المواد مع القدرة على التحول بمرور الوقت، أو نظام مواد مخصص يمكن أن يتغير من شكل إلى آخر، مباشرةً من سرير الطباعة.
توفر هذه التقنية مساراً انسيابياً من الفكرة إلى الواقع مع وظائف تعتمد على الأداء مدمجة مباشرة في المواد.
ويوصف البعد الرابع هنا بأنه التحول مع مرور الوقت، مع التأكيد على أن الهياكل المطبوعة لم تعد مجرد أجسام ثابتة وميتة؛ بل هي نشطة برمجيًا ويمكنها التحول بشكل مستقل.4D الطباعة رباعية الأبعاد هي لمحة أولى في عالم المواد القابلة للتطور التي يمكن أن تستجيب لاحتياجات المستخدم أو التغيرات البيئية.
يوجد في جوهر هذه التقنية ثلاث قدرات رئيسية: الآلة والمادة و"البرنامج" الهندسي.
يشرح البروفيسور سكايلر تيبيتس الطباعة رباعية الأبعاد كعملية مختلفة جذرياً عن الطباعة ثلاثية الأبعاد (التصنيع المضاف). تتطلب الطباعة رباعية الأبعاد نظاماً متعدد المواد أو المواد المخصصة القابلة للتطوير، والتي يمكن أن تستمر في التطور بمرور الوقت أو التحول من شكل إلى آخر بعد إنتاجها بالطباعة ثلاثية الأبعاد.
من خلال تضمين الميزات التي تعتمد على الأداء مباشرة في نظام المواد، توفر الطباعة رباعية الأبعاد اختصارًا من المفهوم إلى الواقع. يؤكد البُعد الرابع للطباعة رباعية الأبعاد، والذي يمكن وصفه بالتطور مع مرور الوقت، على أن الهياكل التي تم إنشاؤها بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد لم تعد ثابتة بل يمكن برمجتها للتحول المستقل.
هناك ثلاث تقنيات رئيسية في الطباعة رباعية الأبعاد: الأجهزة والمواد و"البرمجة" الهندسية.
لفهم مفهوم الطباعة رباعية الأبعاد بشكل كامل كما شرحه البروفيسور سكايلر تيبيتس، يجب على المرء أن يفهم الفروق الدقيقة التالية:
يشير ما يسمى بالبعد الرابع إلى تطور نظام المواد القابلة للتطور بمرور الوقت، وهو ما يعادل التجميع الذاتي - أي أن نظام المواد يمكن أن يتغير إلى الشكل المطلوب ضمن إطار زمني محدد بناءً على نماذج محددة بالبرمجيات.
يكمن الاختلاف الجوهري عن الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي في التحول التحويلي في نهج التصنيع. فالطباعة ثلاثية الأبعاد تتطلب نموذجاً ثلاثي الأبعاد مصمماً مسبقاً ثم تستخدم المواد المطابقة لتشكيله، في حين أن الطباعة رباعية الأبعاد تدمج تصميم النموذج ثلاثي الأبعاد مباشرة في نظام المواد، مما يبسط العملية من "التصميم" إلى "الكائن المادي".
وفيما يلي التقنيات الرئيسية الثلاث المشار إليها: بالنسبة للمعدات، يمكن عادةً استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد التقليدية مباشرةً أو مع تعديلات طفيفة؛ وفيما يتعلق بالمواد، فهي عادةً ما تكون مركّبات متعددة الأطوار أو مواد قابلة للتطور، والمعروفة أيضًا باسم المواد الذكية أو المواد المستجيبة للمحفزات.
وهي تشير إلى المواد التي يمكنها تغيير خصائصها الفيزيائية أو الكيميائية بشكل مستقل (بما في ذلك الشكل والكثافة واللون والمرونة والتوصيلية والخصائص البصرية والخصائص الكهرومغناطيسية وغيرها) تحت محفزات محددة مسبقًا (مثل الغمر في الماء أو التعرض للحرارة والضغط والكهرباء والضوء وغيرها).
ينصب التركيز الحالي في المقام الأول على السلاسل الأحادية الخيطية والمواد الرقيقة الشبيهة بالصفائح، على أن يكون الهدف البحثي التالي هو إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا.
في الوقت الحاضر، تُعد الطباعة رباعية الأبعاد بارعة بشكل خاص في طباعة السلاسل الخيطية المفردة. أما "البرمجة الهندسية"، فتشير إلى علاقة الاستجابة بين محفزات المادة والخصائص الفيزيائية المذكورة أعلاه، حيث تتمثل آلية الاستجابة الأساسية في توليد سلالات مميزة موضعية (أو سلالات عدم التطابق) داخل الجسم المطبوع أثناء عملية الطباعة أو بعدها.
بالنسبة إلى البروفيسور سكايلر تيبيتس ومختبر التجميع الذاتي الخاص به، يتم توفير المعدات والمواد المستخدمة في الطباعة رباعية الأبعاد من قبل شركة ستراتاسيس، بينما يتم توفير "البرمجة" الهندسية من قبل فريق البحث والتطوير في شركة أوتوديسك. وقد صمموا أيضًا برنامجًا جديدًا يسمى Cyborg. ويوضح الشكل 8-5 شرح البروفيسور سكايلر تيبيتس للطباعة رباعية الأبعاد بشكل أكثر بديهية.
في عام 2014، عرض البروفيسور لي ديشنغ من جامعة شيان جياوتونغ مفهومًا موجزًا للطباعة رباعية الأبعاد: تشير الطباعة رباعية الأبعاد إلى التصنيع الإضافي للمواد الذكية، مما يعني أن الهياكل المصنوعة من تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تغير شكلها وهيكلها بمرور الوقت عندما تحفزها عوامل بيئية خارجية. البُعد الإضافي الذي تضيفه تقنية الطباعة رباعية الأبعاد إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد هو الوقت.
وبالتالي، يمكن فهم المفهوم الأولي للطباعة رباعية الأبعاد ببساطة على أنه "الطباعة ثلاثية الأبعاد + الوقت"، مع التركيز على تغيير شكل المكونات بمرور الوقت باستخدام مواد ذكية. ومن المعتقد أنه مع استمرار تعميق البحث في الطباعة رباعية الأبعاد، سيزداد مفهومها وجوهرها ارتقاءً.
من المكونات الرئيسية للطباعة رباعية الأبعاد المواد الذكية. في أواخر الثمانينيات، استلهم العلماء الأمريكيون واليابانيون لأول مرة مفهوم الذكاء في مجال المواد والهياكل، مستلهمين بعض القدرات الموجودة في الطبيعة، واقترحوا الفكرة المبتكرة لهياكل المواد الذكية.
تُعرف هذه الأنظمة أيضًا باسم الهياكل الذكية أو المستجيبة، وهي تدمج عناصر الاستشعار والمشغلات ودوائر معالجة الإشارات والتحكم المرتبطة بها داخل هيكل المادة. وهي مصممة للاستجابة للمحفزات الميكانيكية والحرارية والبصرية والكيميائية والكهربائية والمغناطيسية والتحكم.
لا تقتصر قدرة هذه المواد على تحمل الأحمال فحسب، بل تمتلك أيضًا القدرة على التعرف والتحليل والمعالجة والتحكم، مما يوفر ميزات متعددة الوظائف مثل التشخيص الذاتي والتكيف الذاتي والتعلم الذاتي والإصلاح الذاتي.
تمثل هياكل المواد الذكية حدودًا متعددة التخصصات، حيث تشمل مجموعة واسعة من المجالات مثل الميكانيكا وعلوم المواد والفيزياء والبيولوجيا والإلكترونيات وعلوم التحكم وعلوم الكمبيوتر والتكنولوجيا. ويشارك عدد كبير من الخبراء من هذه التخصصات في جميع أنحاء العالم بنشاط في تطوير هذه المجالات.
هناك العديد من التصنيفات للمواد الذكية، والتي يمكن تصنيفها على نطاق واسع بناءً على وظيفتها وتركيبها إلى مواد ذاكرة الشكل، والبوليمرات النشطة كهربائياً، والمواد الكهروضغطية الكهربائية، والسوائل الكهروضغطية، والمواد الكهروضغطية، والمواد ذات التقبّض المغناطيسي، مع كون مواد ذاكرة الشكل هي الأكثر استخداماً.
تشمل مواد ذاكرة الشكل بوليمرات ذاكرة الشكل (SMPs)، وسبائك ذاكرة الشكل (SMAs)، والهلاميات المائية ذات ذاكرة الشكل (SMHs)، وسيراميك ذاكرة الشكل (SMCs)، ومركبات ذاكرة الشكل (SMCs).
بوليمرات ذاكرة الشكل، والمعروفة أيضًا باسم بوليمرات ذاكرة الشكل، هي مواد بوليمرية يمكنها تغيير شكلها الأولي وتثبيته في ظل ظروف معينة، ثم تستعيد شكلها الأصلي عند التحفيز بظروف خارجية مثل الحرارة أو الكهرباء أو الضوء أو الحث الكيميائي.
تستخدم تقنية SMP نظرية فيزياء البوليمرات الحديثة، إلى جانب تقنيات تركيب البوليمر وتعديله، لتصميم وتعديل التركيب الجزيئي للمواد البوليمرية الشائعة جزيئيًا، مثل البولي إيثيلين والبولي إيزوبرين والبوليستر والبوليستر المشترك والبولي أميد والبولي أميد المشترك والبولي يوريثان.
تتمتع هذه المواد بشكل محدد في ظل ظروف معينة (الحالة الأولية)، والتي يمكن أن تتغير وتثبت (الحالة المشوهة) عندما تتغير الظروف الخارجية. إذا تغيرت البيئة الخارجية مرة أخرى بطريقة معينة، يمكن أن تعود بشكل عكسي إلى الحالة الأولية، لتكتمل دورة حفظ الحالة الأولية وتثبيت الحالة المشوهة ثم العودة إلى الحالة الأولية.
تُصنَّف هذه المحفزات على أساس نوع المحفزات التي تستجيب لها، بما في ذلك المحفزات التي تُستحث حرارياً، والمحفزات التي تُستحث كهربائياً، والمحفزات التي تُستحث ضوئياً، والمحفزات التي تُستحث كيميائياً.
تتشوه مكونات SMP المستحثة حرارياً فوق درجة حرارة الغرفة ويمكنها تثبيت التشوه أثناء التخزين لفترات طويلة. عند تسخينها إلى درجة حرارة استجابة محددة، تستعيد المكونات شكلها الأولي بسرعة.
تُستخدم هذه البوليمرات على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل الرعاية الصحية والرياضة والبناء والتشييد والتعبئة والتغليف والسيارات والتجارب العلمية، بما في ذلك الأجهزة الطبية والبلاستيك الرغوي ووسائد المقاعد ووسائط تخزين المعلومات الضوئية وأجهزة الإنذار.
تنشأ وظيفة ذاكرة الشكل لمركبات SMP المستحثة حراريًا في المقام الأول من مرحلتين غير متوافقتين داخل المادة: المرحلة الثابتة التي تحتفظ بشكل المنتج المقولب والمرحلة القابلة للانعكاس التي تخضع للتليين والتصلب مع تغيرات درجة الحرارة. المرحلة الثابتة مسؤولة عن حفظ واستعادة الشكل الأصلي، بينما تسمح المرحلة القابلة للانعكاس بتغيير شكل المنتج.
واستنادًا إلى السمات الهيكلية للمرحلة الثابتة، يمكن تقسيم بوليمرات ذاكرة الشكل المستحثة بالحرارة إلى فئتين: فئة اللدائن الحرارية وفئة اللدائن الحرارية. وبالإضافة إلى ذلك، هناك ما يسمى بـ "بوليمر ذاكرة الشكل" المقولب بالتشوه البارد، والذي يتضمن المعالجة الباردة لبعض راتنجات اللدائن الحرارية تحت درجة حرارة أقل من T لتحقيق تشوه مرن عالٍ ثم التبريد للحصول على حالة مشوهة.
عند إعادة تسخينها فوق درجة الحرارة Tg، يمكن أن تعود المادة أيضًا إلى شكلها الأصلي.
بوليمرات ذاكرة الشكل المستحثة كهربائيًا هي مركبات من مواد بوليمر ذاكرة الشكل المستحثة حراريًا مع مواد موصلة مثل أسود الكربون الموصّل ومسحوق المعادن والبوليمرات الموصلة. تتطابق آلية ذاكرتها مع آلية بوليمرات ذاكرة الشكل المستحثة حرارياً. وتستخدم المواد المركبة الحرارة المتولدة من تيار كهربائي لرفع درجة حرارة النظام واستعادة الشكل.
ولذلك، فإنه يمتلك خصائص موصلة ووظيفة ممتازة لذاكرة الشكل، ويستخدم بشكل أساسي في الإلكترونيات والاتصالات والأجهزة، مثل أنابيب أشعة الكاثود الإلكترونية ومواد التدريع الكهرومغناطيسي.
تدمج مركبات SMPs المستجيبة للضوء مجموعات لونية ضوئية محددة (PCGs) في السلاسل الرئيسية والجانبية للبوليمر. وعند التعرّض للأشعة فوق البنفسجية، تخضع المجموعات المتلونة الضوئية لتفاعل الأيزومرات الضوئية، مما يؤدي إلى تغيير كبير في حالة السلسلة الجزيئية.
ومن الناحية الماكروسكوبية، تُظهر المادة تحولاً في الشكل بفعل الضوء. عندما يتوقف التعرض للضوء، تتفاعل جزيئات PCGs بشكل عكسي، مما يعيد الحالة الجزيئية والمادة إلى شكلها الأصلي. تُستخدم هذه المواد في الطباعة والتسجيل الضوئي والصمامات الجزيئية التي يحركها الضوء وأنظمة إطلاق الأدوية الخاضعة للتحكم.
يتم تنشيط SMPs المستحثة كيميائياً عن طريق التغيرات في الوسط المحيط لتمكين تشوه المواد واستعادة الشكل. وتشمل المحفزات الكيميائية الشائعة تغيرات الأس الهيدروجيني، وتوازن التبادل الأيوني، وتفاعلات الاستخلاب، والتحولات الطورية، وتفاعلات الأكسدة والاختزال.
وتشمل هذه المواد بولي أكريلاميد بولي أكريلاميد مصبوغ جزئيًا وبولي فينيل كحول وبولي أكريليك في شكل أفلام، وتستخدم في مجالات متخصصة مثل أغشية فصل البروتينات أو الإنزيمات والمحركات الكيميائية.
سبائك الذاكرة الشكلية (SMAs) هي مواد تتكون من اثنين أو أكثر من عناصر معدنية التي تُظهر تأثير ذاكرة الشكل (SME) من خلال تحولات الطور المارتنسيتي الحرارية المرنة وعكسها.
تقدم SMAs أفضل أداء لذاكرة الشكل بين مواد ذاكرة الشكل. المرونة الحرارية مارتينسايت، بمجرد تكوينها، تستمر في النمو مع انخفاض درجة الحرارة وتتناقص عند التسخين، وتختفي في عملية عكسية تمامًا. يعمل الفرق في الطاقة الحرة كقوة دافعة للتحول الطوري.
تُصنَّف SMAs إلى ثلاث فئات بناءً على خصائص تشوهاتها:
تأثير ذاكرة الشكل في اتجاه واحد: تتشوه SMAs عند درجات حرارة منخفضة وتستعيد شكلها الأصلي عند التسخين، وتظهر تأثير ذاكرة الشكل فقط أثناء عملية التسخين.
تأثير ذاكرة الشكل ثنائي الاتجاه: تستعيد بعض السبائك شكلها الطوري في درجات الحرارة العالية عند التسخين وتعود إلى شكلها الطوري في درجات الحرارة المنخفضة عند التبريد.
تأثير ذاكرة الشكل الكامل: عند التسخين، تستعيد المادة شكلها الطوري عند درجة حرارة عالية، وعند التبريد، تنتقل إلى شكل طوري عند درجة حرارة منخفضة بنفس الشكل الهندسي ولكن في اتجاه معاكس.
حتى الآن، تم اكتشاف أكثر من 50 نوعًا من السبائك ذات تأثيرات ذاكرة الشكل. وفي عام 1969، تم تطبيق تأثير ذاكرة الشكل لسبائك النيكل والتيتانيوم لأول مرة على المستوى الصناعي، مما أدى إلى إنشاء جهاز فريد من نوعه لاقتران الأنابيب.
بإضافة عناصر أخرى إلى سبيكة النيكل والتيتانيوم، تم تطوير سبائك جديدة قائمة على النيكل والتيتانيوم وسبائك ذاكرة الشكل القائمة على النيكل والتيتانيوم مثل النيكل والتيتانيوم والنحاس والنيكل والتيتانيوم والحديد والنيكل والتيتانيوم والكروم وإجراء المزيد من الأبحاث. بالإضافة إلى ذلك، هناك أنواع أخرى من سبائك ذاكرة الشكل، بما في ذلك سبائك النحاس والنيكل والنحاس والألومنيوم والنحاس والزنك وسبائك الحديد (Fe-Mn-Si، Fe-Pd).
تُستخدم SMAs على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل الفضاء والإلكترونيات الميكانيكية والهندسة الطبية الحيوية وبناء الجسور وصناعة السيارات والحياة اليومية.
الهلاميات المائية هي نوع من الهلاميات الهلامية الشبكية ثلاثية الأبعاد شديدة المحبة للماء والتي يمكن أن تنتفخ بسرعة في الماء وتحتفظ بكمية كبيرة من الماء دون أن تذوب في حالة الانتفاخ. ويرتبط امتصاص الماء ارتباطًا وثيقًا بدرجة الارتباط المتشابك؛ فكلما زاد الارتباط المتشابك، انخفض امتصاص الماء. يمكن تصنيف الهلاميات المائية إلى هلاميات مائية تقليدية وهلاميات مائية مستجيبة للبيئة بناءً على استجابتها للمؤثرات الخارجية.
لا تكون الهلاميات المائية التقليدية حساسة للتغيرات البيئية مثل درجة الحرارة أو الأس الهيدروجيني؛ فهي تتكيف عن طريق تغيير الارتباط المتقاطع للجزيئات الكبيرة لالتقاط الماء وإطلاقه (توفير المحفز)، وبالتالي تحقيق الانكماش والتوسع لتسهيل التحولات الهيكلية.
من ناحية أخرى، فإن الهلاميات المائية المستجيبة بيئيًا قادرة على اكتشاف التغيرات أو المحفزات الطفيفة في البيئة الخارجية (مثل درجة الحرارة ودرجة الحموضة والضوء والكهرباء والضغط وما إلى ذلك) والاستجابة بتغيرات كبيرة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية، وحتى التحولات المفاجئة. السمة المميزة لهذه الهلاميات المائية هي التغير الملحوظ في سلوك التورم استجابة للعوامل البيئية.
استنادًا إلى آليات الاستجابة المختلفة لهذين النوعين من الهلاميات المائية، تم تطوير هلاميات هيدروجيل ذات ذاكرة الشكل ويمكن استخدامها كمستشعرات ومفاتيح تحكم، إلخ.
تُظهر SMCs تأثيرات ذاكرة الشكل التي تختلف عن SMPs وSMAs بالطرق التالية: أولاً، تتمتع مركبات SMCs بقدرة تشوه أصغر؛ ثانيًا، تتعرض مركبات SMCs لدرجات متفاوتة من التشوه غير القابل للانعكاس مع كل دورة ذاكرة شكل واستعادة، ومع زيادة عدد الدورات، يزداد التشوه التراكمي، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين تشقق.
يمكن تصنيف سيراميك ذاكرة الشكل SMCs على أساس آلية توليد تأثير ذاكرة الشكل إلى سيراميك ذاكرة الشكل اللزج، وسيراميك ذاكرة الشكل المارتنسيتي المتحول إلى سيراميك ذاكرة الشكل، وسيراميك ذاكرة الشكل الكهرو-حديدي، وسيراميك ذاكرة الشكل المغناطيسي الحديدي.
تشمل سيراميك ذاكرة الشكل اللزجة المرنة أكسيد الكوبالت وأكسيد الألومنيوم وكربيد السيليكون ونتريد السيليكون وسيراميك الميكا الزجاجي. عندما يتم تسخين هذه المواد إلى درجة حرارة معينة، فإنها تتشوه تحت الحمل، مع الحفاظ على التشوه بفعل القوة الخارجية. عند تبريد السيراميك وإعادة تسخينه لاحقًا إلى درجة حرارة معينة، يستعيد السيراميك تشوهه إلى حالته الأصلية.
تشير الدراسات إلى أن سيراميك ذاكرة الشكل اللزجة المرنة يحتوي على بنيتين - بلورية وزجاجية - وأن الطاقة المرنة التي تقود استعادة الشكل يتم تخزينها في إحدى هاتين البنيتين، بينما يحدث التشوه في الأخرى.
سيراميك ذاكرة الشكل المارتنسيتي، مثل ZrO2، BaTiO3، KNBO3PbTiO، PbTiO3تُستخدم في المقام الأول في عناصر مشغلات تخزين الطاقة والمواد الوظيفية المتخصصة.
يشير سيراميك ذاكرة الشكل الكهربائي الحديدي إلى السيراميك الذي يُظهر خصائص ذاكرة الشكل عندما يتغير اتجاهه تحت مجال كهربائي خارجي. تشمل المناطق الطورية لسيراميك ذاكرة الشكل الكهروحراري مواد كهروحرارية وكهروحرارية ومضادة للكهرباء الكهربائية، مع أنواع انتقالية طورية مثل التحولات الكهروحرارية-الكهروحرارية ومضادة للكهروحرارية-الكهروحرارية.
يمكن تحفيز هذه التحولات الطورية بواسطة مجال كهربائي أو عن طريق تبديل أو إعادة توجيه المجالات المغناطيسية القطبية. على الرغم من أن سيراميك ذاكرة الشكل الكهروضوئية له تشوهات أصغر مقارنةً بسبائك ذاكرة الشكل، إلا أنه يتميز بأوقات استجابة سريعة.
ويمكنها أيضًا أن تخضع لانتقالات عكسية مثل الانتقال من الحالة البارامغناطيسية-المغناطيسية المغناطيسية أو من الحالة البارامغناطيسية-المغناطيسية المضادة للمغناطيسية أو من الحالات المدارية المرتبة إلى الحالات المدارية المضطربة، وعادةً ما تكون مصحوبة بتشوهات شبكية قابلة للاسترداد.
الأجسام المُصنّعة من خلال الطباعة رباعية الأبعاد هي منتجات ذكية تتمتع بقدرات التكيف والشفاء الذاتي. وهي قابلة للتطبيق على نطاق واسع في مختلف القطاعات، بما في ذلك الأنسجة والأعضاء الاصطناعية، والأجهزة الطبية، والنقل بالسيارات، والآلات الدقيقة، والفضاء، وصناعة الطيران، وصناعة الدفاع، وكذلك في الأزياء والأثاث والبناء. فيما يلي سبعة أمثلة تطبيقية محددة:
بدأت شركة Nervous System، التي تأسست في الولايات المتحدة في عام 2007 على يد جيسيكا وجيسي، وكلاهما خريجا معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مع حصول جيسيكا على شهادة في الهندسة المعمارية من نفس المؤسسة التي تعمل بها البروفيسورة سكايلر تيبيتس، باستخدام نسيج خاص لصنع فساتين من خلال الطباعة رباعية الأبعاد في عام 2014. ويتكون الفستان، كما هو موضح في الشكل 8-6، من هيكل شبكي مكون من 2279 مثلثاً و3316 نقطة مفصلية، كما هو موضح في الشكل 8-7.
يتكيف الشد بين المثلثات والنقاط المفصلية مع شكل جسم مرتديته، مما يضمن ملاءمة الفستان بشكل جيد حتى مع تغيرات الوزن. لا يعالج هذا الفستان مشاكل المقاس فحسب، بل يتكيف أيضاً مع شكل جسم مرتديه. صُمم الفستان باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد SLS، مما يترك البودرة غير الملبدة تتساقط بعد الطباعة، مما ينتج عنه بنية ألياف متشابكة.
كما طورت شركة Nervous System تطبيقًا يتيح للمستخدمين إجراء مسح ضوئي ثلاثي الأبعاد لأجسامهم واختيار حجم القماش وشكله وتفصيل فستان فريد مطبوع رباعي الأبعاد. وحالياً، يتم حالياً جمع هذا الفستان المطبوع رباعي الأبعاد بشكل دائم من قبل أربعة متاحف أو معارض.
في عام 2017، أبلغ فريق بحثي بقيادة راؤول بوليت كاسيلاس في مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا عن ابتكار نسيج معدني قابل للطي باستخدام تقنية الطباعة رباعية الأبعاد، كما هو موضح في الشكل 8-8. ويتميز النسيج بمربعات معدنية فضية صغيرة من الأمام وأسلاك معدنية منسوجة سوداء في الخلف، كما هو موضح في الشكل 8-9.
ويعزز هذا الهيكل بشكل كبير من قدرته على تحمل الصدمات الخارجية، كما أنه مصمم بشكل ملائم للتطبيق على أسطح المركبات الفضائية أو بدلات رواد الفضاء. يمكن للهيكل أن يعكس الضوء (الجانب المربع المعدني) ويمتص الحرارة (جانب السلك المعدني)، ويشمل خمس قدرات: مقاومة الصدمات الفيزيائية، والقدرة على الطي الشبيهة بالقماش، وقوة الشد الشبيهة بالفولاذ، وانكسار الضوء الشديد، والإدارة الحرارية السلبية.
وتسمح الإدارة الحرارية السلبية للمركبة الفضائية بالحفاظ على الحد الأدنى من الفرق في درجة الحرارة مع البيئة الخارجية، مما يحقق التوازن الديناميكي عند استخدام هذه المادة كغطاء.
وتتوقع ناسا أن يتم استخدام هذا النسيج المعدني في مجالات مختلفة، بما في ذلك الهوائيات الكبيرة القابلة للطي والمتغيرة الشكل، والعزل الحراري للمركبات الفضائية التي تزور الكواكب/الأقمار الباردة والجليدية، بالإضافة إلى حصائر عزل رواد الفضاء المرنة، والدروع النيزكية المصغرة للمركبات الفضائية، والبدلات الفضائية.
وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام هذه المادة المبتكرة في الطائرات على الأقمار/الكواكب الجليدية، مما يخلق "أقداماً" قابلة للطي تتوافق مع الأسطح الكوكبية الخشنة، مما يساعد على تجنب بعض الأضرار المادية ويسهل جمع العينات.
في 28 مارس 2016، استخدم جراحو الصدر في مستشفى تانغدو التابع للجامعة الطبية العسكرية الرابعة تقنية الطباعة رباعية الأبعاد المتطورة للتخفيف من معاناة مريض مصاب بتليّن القصبة الهوائية الناجم عن السل الرغامي داخل القصبة الهوائية. وقد تجاوز الجزء المصاب من القصبة الهوائية الحد الأقصى للطول المسموح به للاستئصال، مما جعل الاستئصال مستحيلاً.
يمكن أن يؤدي زرع الدعامة التقليدية إلى مضاعفات مثل صعوبة البلغم. وعلى الصعيد الدولي، ذكرت جامعة ميشيغان حالة مماثلة في مجلة نيو إنجلاند الطبية حيث صمم الخبراء تعليق دعامة خارجية لمريض يعاني من مرض في القصبة الهوائية اليسرى يمتد من 1-1.5 سم فقط، في حين أن هذا المريض كان يعاني من آفة بطول 6 سم في القصبة الهوائية، مما يشكل تحديًا أكبر.
بعد تحليل دقيق لخصائص المرض، قام الدكتور لي شياوفي، ونائب المدير هوانغ ليجون، والدكتور وانغ لي من قسم الجراحة الصدرية بمستشفى تانغدو، بالتعاون مع البروفيسور تساو تيشنغ والطبيب يانغ غوانيانغ من مركز أبحاث الطباعة ثلاثية الأبعاد في الجامعة الطبية العسكرية الرابعة، بإنشاء نموذج للقصبة الهوائية مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.
وبعد إجراء تقييم شامل، قرروا المضي قدماً في جراحة تعليق الدعامة الخارجية. كما عقدوا شراكة مع فريق البروفيسور خه جيانكانغ من جامعة شيان جياوتونغ لتصنيع دعامة قصبة هوائية قابلة للتحلل الحيوي مطبوعة بتقنية الطباعة رباعية الأبعاد للمريض، كما هو موضح في الشكل 8-10.
باستخدام دعامة القصبة الهوائية القابلة للتحلل الحيوي المطبوعة رباعية الأبعاد لتغليف القصبة الهوائية الضعيفة وخياطتها في مكانها، تم دعم القصبة الهوائية المنهارة وفتح مجرى الهواء الضيق. تم إجراء تواصل شامل قبل الجراحة مع المريض وعائلته، كما هو موضح في الشكل 8-11.
كانت الجراحة ناجحة وتعافى المريض بشكل جيد بعد الجراحة.
يمكن تنظيم فترة تحلل الدعامة من خلال التحكم في نوع المادة الحيوية ووزنها الجزيئي، مما يسمح لها بالتحلل التدريجي وامتصاصها من قبل الجسم على مدى 2-3 سنوات قادمة، مما يجنب المريض آلام الجراحة الثانية لإزالة الدعامة.
كانت هذه العملية الجراحية الأولى من نوعها على مستوى العالم، حيث تضمنت تعليق دعامة خارجية لجزء رخو للغاية من القصبة الهوائية. بالإضافة إلى ذلك، في سبتمبر من ذلك العام، تعاون أطباء من مستشفى شيجينغ التابع للجامعة الطبية العسكرية الرابعة مع فريق هي جيانكانغ من جامعة شيان جياوتونغ.
وباستخدام دعامة مماثلة مطبوعة رباعية الأبعاد وقابلة للامتصاص في القصبة الهوائية باستخدام دعامة مماثلة قابلة للامتصاص، أجرى الفريق جراحة تعليق الدعامة لرضيع يبلغ من العمر 5 أشهر يعاني من مرض قلبي خلقي معقد مصحوب بتضيق شديد في القصبات الهوائية الثنائية، ونجحوا في علاج الحالة - وهي سابقة أخرى من نوعها في العالم.
في عام 2019، تعاون البروفيسور ليو ليوو من معهد هاربين للتكنولوجيا مع خبراء سريريين من المستشفى التابع الأول لجامعة هاربين الطبية لدمج جزيئات Fe3O4 المغناطيسية في مصفوفة حمض البولي لاكتيك متعدد الذاكرة. وقاموا بتصميم وطباعة جسيمات مغناطيسية رباعية الأبعاد قابلة للتخصيص وقابلة للتحلل الحيوي من حمض SMP يمكن نشرها عن بُعد والتحكم فيها تحت قوة مجال مغناطيسي محدد.
كما أجروا أيضًا تجارب جدوى في المختبر باستخدام سدادة SMP المطبوعة رباعية الأبعاد لاختبار بساطة عملية نشرها، كما هو موضح في الأشكال 8-12. يمكن تعبئة سدادة SMP بسلاسة وتوصيلها وتحريرها من خلال قسطرة، مع اكتمال عملية النشر في غضون 16 ثانية.
في مؤتمر IEEE الدولي للروبوتات والأتمتة في عام 2013، عرض صامويل م. فيلتون من معهد الهندسة المستوحاة بيولوجيًا التابع لكلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد نظام تجميع ذاتي آلي مصنوع باستخدام تقنية الطباعة رباعية الأبعاد.
غالبًا ما يشهد مجال الروبوتات، الذي يتطلب أداءً هيكليًا عاليًا وأتمتة وذكاءً عاليًا، تأثيرات مدهشة عند الجمع بين البوليمرات ذاتية التذكر، حيث يعتبر نظام التجميع الذاتي الروبوتي مهمًا بشكل خاص. يدمج نظام التجميع الذاتي رباعي الأبعاد المطبوع ذاتيًا بين المواد المستوية الصلبة والبوليمرات ذاتية التذكر، مما يحقق إجراءات الطي المتسلسل والتحكم في الزوايا والشق عند التحفيز الخارجي.
يصور الشكل 8-13 (أ) روبوتًا شبيهًا بالديدان مزودًا بنظام تجميع ذاتي آلي رباعي الأبعاد، قادر على الطي في شكل وظيفي يتحرك تحت تيار كهربائي مناسب؛ ويوضح الشكل 8-13 (ب) الروبوت نفسه الشبيه بالديدان الذي يوضح دفعه الذاتي بسرعة 2 ميكرومتر/ثانية. يمكن لمثل هذه الروبوتات ذاتية التجميع أن تقلل من تكاليف المواد والمعالجة والنقل ولها آفاق واعدة لاستكشاف المناطق المحصورة.
في عام 2017، قام البروفيسور تشاو شوانهي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بترسيب ميكروبات قابلة للجرثومة وراثياً على مادة خاملة للرطوبة باستخدام عملية طباعة ثلاثية الأبعاد، مما أدى إلى إنشاء فيلم هجين حيوي ذو بنية متعددة الطبقات ذات كثافة ميكروبية غير متساوية. وبالاستفادة من السلوكيات الاسترطابية والإنارة الحيوية للخلايا الحية، يمكن لهذا الفيلم الهجين الحيوي الاستجابة لتدرجات الرطوبة البيئية في غضون ثوانٍ.
ويغيّر شكل الهيكل متعدد الطبقات وشدة التلألؤ الحيوي بشكل عكسي ليشكل لوحات مفتوحة ذات تهوية في ظروف الرطوبة العالية، كما هو موضح في الشكل 8-14. صُمم هذا الفيلم الهجين الحيوي في ملابس رياضية حساسة للرطوبة لتعزيز التجربة الرياضية، كما هو موضح في الشكل 8-15.
نظرًا لأن ترسيب هذا الهيكل متعدد الطبقات يشكل تصنيعًا إضافيًا للمواد الذكية الحساسة للرطوبة، يمكن الإشارة إلى عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه أيضًا باسم الطباعة رباعية الأبعاد.
في عام 2020، أظهر فريق البروفيسور ه. جيري تشي في معهد جورجيا للتكنولوجيا طريقة لتصميم وتصنيع هياكل ذاتية التحويل قادرة على إحداث تشوهات كبيرة ومعامل عالٍ. وقاموا بطباعة الهياكل المصممة باستخدام عمليات DIW متعددة المواد باستخدام أحبار مركبة تتكون من جزء كبير الحجم من المذيبات والراتنجات القابلة للبلمرة الضوئية والألياف الزجاجية القصيرة والسيليكا الغازية.
أثناء الطباعة، تم محاذاة الألياف الزجاجية من خلال التوجيه الناجم عن القص عبر الفوهة، مما أدى إلى خصائص ميكانيكية متباينة الخواص. ثم تبخّر المذيب بعد ذلك، مما تسبب في انكماش متباين الخواص للألياف الزجاجية المحاذية في كلا الاتجاهين المتوازي والعمودي. أدت خطوة لاحقة بعد المعالجة إلى زيادة صلابة المادة المركبة من حوالي 300 ميجا باسكال إلى حوالي 4.8 جيجا باسكال.
تم وصف عملية الطباعة والتشوه الموضحة في الشكل 8-16 أعلاه. طُوِّر نموذج تحليل العناصر المحدودة للتنبؤ بتأثيرات المذيب ومحتوى الألياف واتجاه الألياف على تغيرات الشكل.
أكدت النتائج أن الانكماش الحجمي متباين الخواص يمكن أن يعمل كمفصل نشط، مما يتيح التحول الذاتي للهياكل المعقدة ذات التشوه الكبير والمعامل العالي. تُظهر هذه الهياكل تطبيقات محتملة في الهياكل خفيفة الوزن ذات القدرات الحاملة.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO