الطباعة المجسمة الدقيقة بالإسقاط

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تُكيّف تقنية الطباعة المجسمة الدقيقة بالإسقاط ( PμSL ) تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع المواد الدقيقة. وتوفر تقنية العرض الرقمي الدقيق أقنعة طباعة مجسمة ديناميكية تعمل كقناع ضوئي افتراضي . تتيح هذه التقنية بلمرة ضوئية سريعة لطبقة كاملة باستخدام ومضة من إضاءة الأشعة فوق البنفسجية بدقة ميكرومترية. ويمكن للقناع التحكم في شدة إضاءة كل بكسل على حدة ، مما يسمح بالتحكم في خصائص مادة الهيكل المصنّع مع التوزيع المكاني المطلوب.

تشمل المواد البوليمرات ، والهيدروجيلات المستجيبة ، وبوليمرات الذاكرة الشكلية ، والمواد الحيوية . [ 1 ]

مقدمة

شهدت الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) تطورًا سريعًا خلال الثلاثين عامًا الماضية. ونظرًا لاعتمادها على دمج أجهزة الاستشعار والمحركات، تتطلب هذه الأنظمة باستمرار طرقًا أرخص وأسهل وأكثر دقة لتصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد متناهية الصغر باستخدام مواد مختلفة مثل البوليمرات والسيراميك وأشباه الموصلات. [ 2 ] وقد ساهم ظهور تقنية الطباعة المجسمة الدقيقة بالإسقاط في تطوير أنظمة MEMS من خلال تلبية معظم المتطلبات المذكورة أعلاه. يعتمد هذا الاختراع على تقنية الطباعة المجسمة (الطباعة ثلاثية الأبعاد) التي طورها تشارلز هول عام 1984. تُستخدم هذه الآلة بشكل أساسي لتصنيع مواد لينة مثل الهيدروجيل والبوليمرات. وتتمثل النظرية الأساسية وراء هذا الاختراع في استخدام الأشعة فوق البنفسجية لمعالجة المحلول، الذي يتكون من بادئات ومونومرات ومواد ماصة ، لتشكيل كل طبقة من المواد. عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية ، تتحول البادئات إلى جذور حرة. تربط الجذور الحرة المونومرات معًا لبدء عملية البلمرة. تُخلط المواد الماصة مع المونومرات للتحكم في عمق اختراق الأشعة فوق البنفسجية. تسمح هذه العملية الكيميائية بتحويل المناطق المعرضة للأشعة فوق البنفسجية إلى بوليمرات صلبة. [ 2 ]

تاريخ

في البداية، اعتمدت جميع طرق الطباعة المجسمة الضوئية متناهية الصغر على نفس أسلوب الطباعة المجسمة الضوئية واسعة النطاق، وهو الكتابة المباشرة للمواد على القاعدة. وقد طوّر البروفيسور إيكوتا وهيرواتاري أول تقنية طباعة مجسمة ضوئية متناهية الصغر تستخدم الأشعة فوق البنفسجية لمعالجة سطح الراتنج السائل عام 1993. ويُعدّ هذا النهج التصنيعي النموذج الأولي لتقنية الطباعة المجسمة الضوئية متناهية الصغر الحالية. [ 3 ] وبالمقارنة مع طرق الطباعة المباشرة السابقة، يتميز هذا النهج بإمكانية تصنيع كل طبقة على حدة، مما يزيد من معدل الإنتاج في الإنتاج الضخم. في ذلك الوقت، كانت بيانات الشكل ثنائية الأبعاد تُستخلص باستخدام نظام التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) . وتُستخدم هذه البيانات لتصنيع مستويات مقطعية ثنائية الأبعاد في السائل. لذا، يتطلب الأمر إنشاء عدة مستويات ثنائية الأبعاد في نظام التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) للهياكل المعقدة. ويمكن استخدام هذه التقنية لتصنيع كل من البوليمرات والمعادن. ويتم تصنيع المعادن باستخدام عملية الصب بعد صنع قالب بوليمري. على الرغم من أن هذه الطريقة تُحسّن معدل الإنتاج، إلا أنها تتطلب قناعًا لكل طبقة من المنتج النهائي، مما يزيد من وقت المعالجة وتكلفتها. لذلك، طُوّرت تقنية التصنيع مرة أخرى بحيث استُبدلت الأقنعة بجهاز عرض المرايا الدقيقة ، وهو مشابه لجهاز العرض الضوئي الذي نستخدمه يوميًا. يوفر جهاز عرض المرايا الدقيقة قناعًا ديناميكيًا يُمكنه تغيير الأنماط إلكترونيًا. وبما أن قناعًا واحدًا يحل محل عدة أقنعة، فإن وقت المعالجة وتكلفة التصنيع ينخفضان بشكل كبير.

عملية

يُحدد القناع الديناميكي مسار الشعاع. يُركز الشعاع على سطح راتنج بوليمري قابل للتصلب بالأشعة فوق البنفسجية من خلال عدسة إسقاط تُصغّر الصورة إلى الحجم المطلوب. بمجرد اكتمال بلمرة طبقة، تُخفض المنصة الركيزة بمقدار سُمك طبقة مُحدد مسبقًا، ويعرض القناع الديناميكي صورة الطبقة التالية فوق الطبقة السابقة. تستمر هذه العملية بشكل تكراري حتى الاكتمال. يمكن لهذه العملية إنتاج طبقات بسُمك يصل إلى 400  نانومتر. [ 4 ]

تم تحقيق دقة أفقية أقل من 2  ميكرومتر ودقة رأسية أقل من 1 ميكرومتر، مع أحجام ميزات أقل من 1 ميكرومتر. يمكن تشغيل العملية في درجة حرارة الغرفة وفي جو عادي، على الرغم من أن زيادة النيتروجين تُحسّن عملية البلمرة. وقد تم تحقيق معدلات إنتاج تصل إلى 4 مليمتر مكعب/ساعة، اعتمادًا على لزوجة الراتنج. [ 4 ]  

يمكن استبدال المواد بسهولة أثناء التصنيع، مما يتيح دمج عناصر مواد متعددة في عملية واحدة. [ 4 ]

التطبيقات

تشمل التطبيقات تصنيع المحركات الدقيقة، وإنشاء القوالب ، والطلاء الكهربائي أو (مع إضافات الراتنج) العناصر الخزفية ، بما في ذلك المفاعلات الحيوية الدقيقة لدعم نمو الأنسجة، والمصفوفات الدقيقة لتوصيل الأدوية والكشف عنها، والدوائر المتكاملة الكيميائية الحيوية لمحاكاة الأنظمة البيولوجية. [ 4 ]

المحرك الدقيق

مستوحى من نبات الميموزا الخجولة ، يمكن لورقة هذا المحرك أن تنتفخ عند تعرضها لمؤثرات خارجية كالمذيبات والحرارة والضوء. وللتحكم في حركة هذا المحرك، تم دمج قنوات ميكروفلويدية داخل ورقته. بفضل هندسته الخارجية المعقدة وبنيته الداخلية، يمكن تصنيع هذا المحرك الميكروي المرن باستخدام تقنية الطباعة المجسمة الميكروية الإسقاطية، وهي إحدى أسهل الطرق للحصول على هذه البنى ثلاثية الأبعاد المعقدة. يتم إنشاء قالب التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) لهذا المحرك، ثم تُستخرج منه صور ثنائية الأبعاد مقطعة. بعد ذلك، تُسقط كل صورة ثنائية الأبعاد بواسطة شاشة عرض المرايا الدقيقة ، وتمر عبر العدسة إلى الحجم المطلوب على سطح راتنج البوليمر. ولأن تقنية الطباعة المجسمة الميكروية الإسقاطية موفرة للوقت، يمكن إجراء التجربة نفسها على مواد سائلة لينة مختلفة لدراسة تأثير انتفاخها. استناداً إلى انقباض وتمدد المواد الناتج عن قطرة صغيرة من المذيب أو تغيير طفيف في الظروف البيئية، يمكن لهذا المحرك الدقيق محاكاة حركة العضلات البشرية ويمكن استخدامه في العديد من تطبيقات الروبوتات اللينة . [ 5 ]

الأنسجة الاصطناعية

تتطلب العديد من عمليات الجراحة الترميمية أنسجة جديدة عند استئصال الأنسجة الأصلية بسبب الأمراض. إحدى طرق توليد هذه الأنسجة الجديدة هي أخذ جزء من نسيج من منطقة أخرى في الجسم ونقله إلى الموقع الجديد. إلا أن هذه الطريقة تُلحق الضرر بالأعضاء الأخرى أثناء عملية التوليد. لذا، يُعد تصنيع الأنسجة الاصطناعية الحل الأمثل لهذه المشكلة. يتمثل القيد الرئيسي لهذه الأنسجة الاصطناعية في غياب نظام الشعيرات الدموية لنقل المغذيات والأكسجين ، كما هو الحال في الدورة الدموية للكائنات الحية . وبفضل قدرتها على تصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة، قد تُوفر تقنية الطباعة المجسمة الدقيقة الإسقاطية أحد أفضل الحلول لهذه الأنسجة. وكما هو الحال في المحركات الدقيقة ، يُصنع قالب النسيج الاصطناعي باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) . ثم يُحوّل هذا القالب إلى صور ثنائية الأبعاد، ويُسقط على سطح راتنج البوليمر من خلال عدسة. ويُدمج نظام الشعيرات الدموية في النسيج أثناء عملية تصميم القالب في برنامج التصميم بمساعدة الحاسوب . البوليمر المستخدم في تصنيع النسيج شبه منفذ، مما يسمح بمرور المغذيات والأكسجين من النظام الشعيري إلى النسيج أثناء عملية النقل. وقد ثبت أن للنظام الشعيري وظيفة محفزة للنمو في خلايا الخميرة ، مما يدل على جدوى هذا النسيج الاصطناعي. [ 6 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "الطباعة المجسمة الدقيقة بالإسقاط" . قسم الهندسة الميكانيكية، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. مؤرشف من الأصل في 11 يناير 2016. تم الاطلاع عليه في 13 أبريل 2015 .
  2. 1 2 صن، تشين؛ فانغ، نيكولاس؛ وو، دونغمين؛ تشانغ، شيانغ (مايو 2015). "الطباعة المجسمة الدقيقة باستخدام قناع ديناميكي رقمي للمرآة الدقيقة". أجهزة الاستشعار والمحركات أ: فيزيائية . 121 : 113-120 . CiteSeerX 10.1.1.180.2371 . doi : 10.1016/j.sna.2004.12.011 . 
  3. ↑ إيكوتا، ك.؛ هيرواتاري، ك. (1993). "التصنيع الدقيق ثلاثي الأبعاد الحقيقي باستخدام الطباعة المجسمة والقولبة المعدنية". [ 1993 ] وقائع مؤتمر أنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 42-47 . doi : 10.1109/memsys.1993.296949 . ISBN  978-0780309579. S2CID 110913866.
  4. 1234Fang, Nicholas. "Projection Microstereolithography"(PDF). Department of Mechanical Science & Engineering, University of Illinois. Archived(PDF) from the original on February 23, 2015. Retrieved April 13, 2015.
  5. ↑Lee, Howon; Xia, Chunguang; Fang, Nicholas Xuanlai (2008). "Biomimetic Microactuator Powered by Polymer Swelling". Nano-Manufacturing Technology; and Micro and Nano Systems, Parts A and B. Vol. 13. pp. 765–769. doi:10.1115/imece2008-67594. ISBN 978-0-7918-4874-6.
  6. ↑Xia, Chunguang; Fang, Nicholas X. (2009-10-06). "3D microfabricated bioreactor with capillaries". Biomedical Microdevices. 11 (6): 1309–1315. doi:10.1007/s10544-009-9350-4. ISSN 1387-2176. PMID 19806459. S2CID 1220201.