اختيار مواد العتاد: العوامل الأساسية التي يجب مراعاتها
ما أهمية اختيار مادة التروس المناسبة في الهندسة؟ يضمن اختيار المواد المناسبة تلبية التروس لمتطلبات مثل مقاومة التآكل والمتانة والكفاءة. تستكشف هذه المقالة مواد التروس المختلفة،...
هل تساءلت يومًا كيف يمكن للضوء أن يحول السائل إلى صلب على الفور تقريبًا؟ تخضع الراتنجات الحساسة للضوء، المستخدمة في كل شيء بدءًا من الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى الأجهزة الطبية، لتغيرات كيميائية عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية. يستكشف هذا المقال أنواعها وتركيباتها وكيف تجعلها الابتكارات أكثر أمانًا وفعالية. تعمق في فهم العلم وراء هذه المواد الرائعة واكتشف تطبيقاتها الواسعة في مختلف الصناعات.
تشير الراتنجات الحساسة للضوء إلى الراتنجات التي تخضع للبلمرة الكيميائية أو الربط المتشابك عند التعرض لإشعاع ضوئي محدد، يتم تسهيله بواسطة مبادئ ضوئية، مما يؤدي إلى معالجة المونومرات أو قاعدة القلة القليلة الأليغومر. عادة، من بين أنواع مختلفة من الإشعاع الضوئي، فإن الأشعة فوق البنفسجية (UV) لها طاقة تنشيط أقرب ما تكون إلى تلك المطلوبة لتفاعلات البلمرة الكيميائية.
ومن ثم، عادةً ما يتم معالجة الراتنجات الحساسة للضوء باستخدام الأشعة فوق البنفسجية وغالبًا ما يشار إليها باسم الراتنجات الحساسة للأشعة فوق البنفسجية، والراتنجات القابلة للعلاج بالأشعة فوق البنفسجية، والمواد اللاصقة بالأشعة فوق البنفسجية عديمة الظل والمواد اللاصقة بالأشعة فوق البنفسجية، والمواد اللاصقة الضوئية، إلخ. يحتوي كل منتج من الراتنجات الحساسة للضوء على مكونات مختلفة ويستجيب لأطوال موجية محددة، عادةً ما بين 250-400 نانومتر.
من المهم أن نلاحظ أن الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن تكون خطرة وتضر بالأنسجة والخلايا، كما أن الأوزون الناتج عن تفاعلها مع الهواء يمكن أن يؤثر أيضًا على بيئة التشغيل. وبالتالي، يقوم الباحثون باستكشاف الراتنجات الحساسة للضوء التي تعالج تحت الضوء المرئي أو الضوء الأزرق، مما أدى إلى نشر براءات اختراع لراتنجات حساسة للضوء الأزرق.
تتكون الراتنجات الحساسة للضوء في المقام الأول من بوليمر مسبق حساس للضوء، ومبادر ضوئي (أو محسس ضوئي)، ومخفف.
البوليمر المسبق الحساس للضوء، والمعروف أيضًا باسم البوليمر قليل القلة، هو بوليمر مسبق منخفض الوزن الجزيئي قادر على المعالجة الضوئية، بوزن جزيئي يتراوح عادةً بين 1000-5000. وهي بمثابة المادة الأساسية للمواد الراتنجية الحساسة للضوء وهي العامل الحاسم في أدائها النهائي.
تشمل الأنواع الرئيسية من البوليمرات المسبقة الحساسة للضوء راتنجات الإيبوكسي المعدلة بالأكريلات والبوليستر غير المشبع والبولي يوريثان وأنظمة راتنجات المعالجة الضوئية ثيول-جين.
تعمل كل من المبادئ الضوئية والمحسسات الضوئية على تعزيز بدء البلمرة أثناء عملية المعالجة، ومع ذلك تختلف كل منهما بشكل كبير. تشارك المبادئ الضوئية في التفاعل من خلال إنشاء أنواع نشطة مثل الجذور الحرة أو الكاتيونات عند امتصاص الطاقة الضوئية، ويتم استهلاكها في العملية. أما المحسسات الضوئية فتعمل مثل المحفزات الضوئية التي تنقل الطاقة دون أن يتم استهلاكها.
يمكن تصنيف المبادئ الضوئية إلى ثلاث فئات بناءً على آلية البدء: النوع الجذري الحر، والنوع الموجب، والنوع الهجين (الذي يضم كلتا الآليتين). والمبادر الضوئي الجذري الحر النموذجي هو 2-هيدروكسي-2-ميثيل-1-فينيل-1-بروبانون (CAS-1173)، وتشمل المبادئ الضوئية الموجبة الشائعة أملاح الفيروسينيوم واليودينيوم.
تتضمن آلية عمل المحسسات الضوئية نقل الطاقة واستخلاص الهيدروجين وتكوين مركب نقل الشحنة. وتشمل المحسسات الضوئية الرئيسية البنزوين وكيتون ميشلر وثيوكسانثون ومشتقات البنزوفينون.
تشير المخففات التفاعلية في المقام الأول إلى مركبات الإيبوكسي منخفضة الوزن الجزيئي التي تحتوي على مجموعات الإيبوكسي التي يمكن أن تشارك في تفاعل معالجة راتنجات الإيبوكسي، لتصبح جزءًا من بنية الشبكة المترابطة للإيبوكسي المعالج.
استنادًا إلى عدد المجموعات الوظيفية التفاعلية لكل جزيء، يمكن تصنيف المخففات التفاعلية إلى مخففات أحادية الوظيفة ومخفضات متعددة الوظائف ومخفضات متعددة الوظائف.
وتشمل الأمثلة المخففات أحادية الوظيفة مثل الستايرين (St)، وبيروليدون الفينيل N-فينيل N-VP، وأسيتات الفينيل VA، وأكريلات البوتيل BA، وأكريلات 2-إيثيل هكسيل EHA، وأكريلات الهيدروكسي إيثيل (ميث) HEMA، HPA; المخففات ثنائية الوظائف مثل 1،6-هيكسانديول ثنائي الأكريلات (HDDA)، وثنائي الأكريلات ثلاثي البروبيلين غليكول (TPGDA)، وثنائي الأكريلات النيو بنتايل غليكول (NPGDA)؛ والمخفف متعدد الوظائف تريميثيل البروبان ثلاثي الأكريلات (TMPTA)، وغيرها.
بشكل عام، كلما زاد عدد المجموعات الوظيفية في المادة المخففة، كلما كان معدل البلمرة الضوئية أسرع، وكلما زادت درجة الارتباط المتقاطع، كلما زادت الصلابة ومقاومة التآكل، ولكن كلما زاد معدل الانكماش. تشمل أنواع المجموعات الوظيفية بشكل أساسي الأكريلوكسي والميثاكريلوكسي والفينيل والأليل، مع تناقص التفاعلية في البلمرة الضوئية بالترتيب: الأكريلوكسي > الميثاكريلوكسي > الفينيل > الأليل.
يمكن لطاقة التنشيط الناتجة عن التشعيع أن تتسبب في كسر الروابط C=C في البوليمرات المسبقة الحساسة للضوء (المونومرات أو القلة)، مما يؤدي إلى تكوين مجموعات وظيفية. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تحفز الجذور في البادئات الضوئية على الخضوع للبلمرة الكيميائية أو تفاعلات الربط المتقاطع مع المجموعات الوظيفية المذكورة أعلاه.
ونتيجة لذلك، يتم نسج السلاسل الجزيئية الصغيرة لمصفوفة الراتنج في سلاسل جزيئية أكبر أو حتى سلاسل جزيئية ثلاثية الأبعاد مترابطة شبكيًا، كما هو موضح في الشكل 4-63. وهكذا ينتقل الراتنج من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. وتجدر الإشارة إلى أن الأكسجين يعيق عمومًا تفاعلات البلمرة أو الربط المتقاطع المذكورة أعلاه في معظم مصفوفات الراتنج الحساسة للضوء.
تستغل عملية CLIP هذه الخاصية بفعالية لمنع الراتنج من المعالجة ضد الحوض.
يمكن تصنيف الراتنجات الحساسة للضوء إلى أنواع مختلفة بناءً على طرق التصنيف المختلفة.
استنادًا إلى المذيب المستخدم، يمكن تقسيم الراتنجات الحساسة للضوء إلى فئات قائمة على المذيبات وفئات قائمة على الماء. الراتنجات الحساسة للضوء القائمة على المذيبات كارهة للماء ولا يمكن إذابتها إلا في المذيبات العضوية وليس في الماء.
تشمل الراتنجات الحساسة للضوء الشائعة القائمة على المذيبات أكريلات البولي إيثر متعدد الأثيرات فوق البنفسجية. الراتنجات الحساسة للضوء ذات الأساس المائي هي راتنجات محبة للماء، وقابلة للتحلل أو التشتت في الماء. وتحتوي هذه الراتنجات على عدد معين من المجموعات المحبة للماء والمجموعات غير المشبعة، مما يجعل الراتنجات الحساسة للضوء ذات الأساس المائي محبة للماء، مثل أكريلات البولي يوريثان ذات الأساس المائي.
راتنج البوليمر الضوئي الشفاف: هذا الراتنج شفاف بشكل طبيعي ويمكن صقله للحصول على تشطيبات شبه شفافة أو شفافة بالكامل. يُستخدم في المقام الأول للتحقق البصري والهيكلي لمختلف المنتجات، مما يسمح بتشطيبات سطحية عالية التفصيل وفعالة من حيث التكلفة.
راتنجات البوليمر الضوئي ذات اللون الصلب: اللون الطبيعي للراتنج صلب، ويمكن صقل سطحه أو طلاؤه أو طلاءه أو طلاءه بالكهرباء. يُستخدم بشكل أساسي للتحقق الهيكلي من المنتجات، مما يتيح تشطيبات سطحية دقيقة للغاية بأعلى فعالية من حيث التكلفة.
راتنج البوليمر الضوئي عالي الحرارة: الراتنج ذو اللون الطبيعي الصلب ويستخدم بشكل أساسي للمنتجات التي تتطلب مستوى معين من المقاومة لدرجات الحرارة العالية. ويمكنه تحمل درجات حرارة تصل إلى 100-110 درجة مئوية، وهي أعلى قليلاً من راتنجات البوليمرات الضوئية القياسية.
راتين البوليمر الضوئي عالي المتانة: عادةً ما يكون لونه أصفر مائل للأخضر، ويتميز هذا الراتينج بصلابة أعلى قليلاً من راتنجات البوليمرات الضوئية القياسية، مما يسمح بالانحناء الطفيف.
في مجال الطابعات ثلاثية الأبعاد المكتبية، تهيمن طابعات النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM) حاليًا من حيث السعر وتعدد الاستخدامات، وتكتسب شعبية واسعة النطاق على الصعيدين المحلي والدولي.
ومع ذلك، عندما تكون هناك حاجة إلى دقة أعلى وتفاصيل سطحية أفضل، فإن الطابعات ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة للطباعة المجسمة (SLA) وطابعات المعالجة الرقمية بالضوء (DLP) تتمتع بميزة واضحة. وقد حفز التوافر المتزايد لطابعات SLA وDLP ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة على تطوير تكنولوجيا مواد البوليمر الضوئي.
راتنج الأغراض العامة: في البداية، كانت الشركات المصنعة لراتنجات الطباعة ثلاثية الأبعاد تبيع موادها المملوكة لها، ولكن مع نمو الطلب في السوق، ظهر العديد من الشركات المصنعة للراتنجات بما في ذلك MadeSolid وMakerJuice وPot-A. في البداية، كانت راتنجات سطح المكتب محدودة في اللون والأداء، حيث كانت المواد متوفرة عادةً باللون الأصفر والشفاف فقط.
وقد وسّعت التطورات الأخيرة خيارات الألوان لتشمل البرتقالي والأخضر والأحمر والأحمر والأصفر والأزرق والأبيض وغيرها.
الراتنج الصلب: تميل راتنجات البوليمر الضوئي المستخدمة في الطابعات ثلاثية الأبعاد المكتبية إلى أن تكون هشة وعرضة للكسر والتشقق. ولمعالجة هذه المشكلات، بدأت العديد من الشركات في إنتاج راتنجات أكثر قوة ومتانة.
على سبيل المثال، قدمت Formlabs مادة راتنج قوية جديدة تحقق التوازن بين القوة والاستطالة، مما يمنح النماذج الأولية المطبوعة ثلاثية الأبعاد مقاومة أفضل للصدمات والقوة. وهذا مفيد بشكل خاص للنماذج الأولية للمكونات الدقيقة أو الموصلات ذات التثبيت المفاجئ.
الراتنج القابل للصب في الصب الاستثماري: يمكن أن تكون عمليات الصب الاستثماري التقليدية معقدة وطويلة، وغالباً ما تحد قيود القالب من حرية التصميم. وينطبق هذا بشكل خاص عند مقارنته بأنماط الشمع المطبوعة ثلاثية الأبعاد، والتي لا تتطلب صنع قوالب لنماذج الشمع.
تُظهر الراتنجات القابلة للصب تمددًا منخفضًا وتتطلب احتراق البوليمر بالكامل أثناء عملية الصب لترك شكل المنتج النهائي الخالي من العيوب، حيث أن أي بقايا بلاستيكية يمكن أن تسبب عيوبًا وتشوهًا في المصبوب. تقدم الشركات المصنعة للمعدات مثل SprintRay ومنتجي المواد المتخصصة مثل Fun ToDo مثل هذه الراتنجات.
أطلقت شركة Su-Cheng Technology المحلية أيضًا راتنج CA للصب الاستثماري. يوضح الشكل 4-64 بعض نماذج الصب الاستثماري المصنوعة من هذا النوع من الراتنج.
الراتنجات المرنة: تشمل الشركات المصنعة للراتنجات المرنة Formlabs وFSL3D وSpot-A وC Carbon وSu-Cheng Technology. وتتميز هذه الراتنجات بصلابة متوسطة ومقاومة للتآكل، وقادرة على التمدد بشكل متكرر. تُستخدم هذه المواد لأجزاء مثل المفصلات، وأجهزة الاحتكاك، والمكونات التي تتطلب التمدد المتكرر. يعرض الشكل 4-65 نماذج مصنوعة من الراتنج المرن.
الراتنج المرن هو مادة تُظهر مرونة ممتازة تحت البثق عالي القوة والتوتر المتكرر. راتينج Formlabs المرن هو مادة لينة للغاية تشبه المطاط وتصبح مرنة للغاية عند طباعتها بطبقات رقيقة ومرنة للغاية ومقاومة للصدمات بطبقات أكثر سمكًا. تطبيقاتها المحتملة لا حدود لها.
تستعد هذه المادة الجديدة لإحداث ثورة في تصنيع مفصلات ومخمدات وأسطح تلامس مثالية وما إلى ذلك، مما يلبي احتياجات أصحاب الأفكار والتصاميم المبتكرة. يوضح الشكل 4-66 نموذجًا مصنوعًا من الراتنج المرن.
مما لا شك فيه أن الراتنجات عالية الحرارة هي بلا شك نقطة محورية في البحث والتطوير بين العديد من مصنعي الراتنجات. ويرجع ذلك إلى أن مشكلة تقادم هذه المواد البلاستيكية لطالما كانت تمثل تحديًا في تطوير الراتنج من التطبيقات الاستهلاكية إلى التطبيقات الصناعية. ويتميز راتنج إستر السيانات بدرجة حرارة انحراف حراري تصل إلى 219 درجة مئوية، مما يحافظ على قوة وصلابة جيدة وثبات حراري طويل الأجل في درجات الحرارة العالية.
وهي مثالية لقوالب صناعة السيارات والفضاء والأجزاء الميكانيكية. ويتمثل التحدي الحالي لمواد الراتنج عالية الحرارة في تحقيق درجة حرارة انحراف حراري تصل إلى 289 درجة مئوية (552 درجة فهرنهايت). كما قدمت Formlabs أحدث موادها عالية الحرارة.
تتوافق مادة Formlabs Dental SG لطابعات سطح المكتب ثلاثية الأبعاد مع معايير EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 ومعايير USP من الفئة السادسة، مما يضمن السلامة والملاءمة البيئية للأنسجة البشرية. ونظرًا لشفافية الراتنج، يمكن استخدامه في المواد الجراحية وكأدلة للمثاقب الجراحية. وفي حين أنه مصمم لصناعة طب الأسنان، فإن هذا الراتينج قابل للتطبيق أيضاً في مجالات أخرى، خاصةً في القطاع الطبي.
يُظهر السيراميك الذي تم إنشاؤه بواسطة البلمرة الضوئية لمونومرات ما قبل السيراميك باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية انكماشًا موحدًا ولا توجد مسامية تقريبًا. بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن تلبيد هذا الراتينج لإنتاج أجزاء خزفية كثيفة. يمكن أن تتحمل المواد الخزفية فائقة القوة المنتجة بهذه التقنية درجات حرارة تتجاوز 1700 درجة مئوية.
تنطوي تقنيات البلمرة الضوئية الخزفية السائدة في السوق على تشتيت مسحوق السيراميك بشكل موحد في محلول قابل للبلمرة الضوئية من خلال التحريك عالي السرعة، مما يؤدي إلى تكوين ملاط خزفي عالي الصلابة ومنخفض اللزوجة.
ثم يتم بعد ذلك تصلب هذا الملاط مباشرة طبقة تلو الأخرى على ماكينة قولبة البلمرة الضوئية لتجميع الجسم الأخضر الخزفي، والذي يتم تجفيفه لاحقًا وإزالة التلبيد منه وتلبيده للحصول على الأجزاء الخزفية النهائية.
راتينج ضوء النهار هو نوع رائع من الراتينج الذي يمكن أن يتصلب تحت ضوء النهار العادي، على عكس الراتينج المعالج بالأشعة فوق البنفسجية. وهذا يلغي الاعتماد على مصادر ضوء الأشعة فوق البنفسجية، مما يسمح باستخدام شاشة الكريستال السائل للمعالجة. يبشّر هذا الراتينج بخفض تكلفة الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام البلمرة الضوئية بشكل كبير وله توقعات واعدة للغاية.
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 
NL 
PT 
RU