الطباعة المجسمة

الطباعة المجسمة الضوئية ( SLA أو SL ؛ والمعروفة أيضًا باسم بلمرة الأحواض الضوئية ، ^{[ 1 ]} والتصنيع البصري ، والتصلب الضوئي ، أو طباعة الراتنج ) هي شكل من أشكال تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد تُستخدم لإنشاء النماذج الأولية والأنماط وأجزاء الإنتاج طبقةً تلو الأخرى باستخدام عمليات كيميائية ضوئية ، حيث يتسبب الضوء في ربط المونومرات والأوليغومرات الكيميائية معًا لتكوين البوليمرات . [ 2 ] ^{تُشكل هذه البوليمرات} بعد ذلك جسمًا صلبًا ثلاثي الأبعاد. أُجريت أبحاث في هذا المجال خلال سبعينيات القرن الماضي، ولكن المصطلح صاغه تشاك هول عام 1984 عندما تقدم بطلب للحصول على براءة اختراع لهذه العملية، والتي مُنحت له عام 1986. ^{[ 3 ]} يمكن استخدام الطباعة المجسمة الضوئية لإنشاء نماذج أولية للمنتجات قيد التطوير، والنماذج الطبية، وأجهزة الكمبيوتر، بالإضافة إلى العديد من التطبيقات الأخرى. على الرغم من أن الطباعة المجسمة الضوئية سريعة ويمكنها إنتاج أي تصميم تقريبًا، إلا أنها قد تكون مكلفة.

الطباعة المجسمة الضوئية هي تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد مبكرة وشائعة الاستخدام. في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، ابتكر الباحث الياباني هيديو كوداما النهج الطبقي الحديث للطباعة المجسمة الضوئية باستخدام الأشعة فوق البنفسجية لمعالجة البوليمرات الحساسة للضوء. ^{[ 4 ] [ 5 ]} في عام 1984، وقبل أن يتقدم تشاك هول بطلب براءة اختراعه، تقدم كل من آلان لو ميهوت وأوليفييه دي ويت وجان كلود أندريه بطلب براءة اختراع لعملية الطباعة المجسمة الضوئية. ^{[ 6 ]} تخلت شركة جنرال إلكتريك الفرنسية (ألكاتيل-ألستوم حاليًا) وشركة سيلاس (اتحاد الليزر) عن طلب براءة الاختراع الخاص بالمخترعين الفرنسيين . ويعتقد لو ميهوت أن هذا التخلي يعكس مشكلة في الابتكار في فرنسا. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

صاغ تشاك هول مصطلح "الطباعة المجسمة" (من اليونانية: stereo-solid و lithography ) عام 1984 عندما سجل براءة اختراعه لهذه العملية. ^{[ 2 ] [ 9 ]} وقد حصل هول على براءة اختراع الطباعة المجسمة كطريقة لإنشاء أجسام ثلاثية الأبعاد عن طريق "طباعة" طبقات رقيقة متتالية من الجسم باستخدام مادة قابلة للتصلب بواسطة الأشعة فوق البنفسجية ، بدءًا من الطبقة السفلية إلى الطبقة العلوية. وصفت براءة اختراع هول شعاعًا مركزًا من الأشعة فوق البنفسجية يُسلط على سطح وعاء مملوء ببوليمر ضوئي سائل . يُركز الشعاع على سطح البوليمر الضوئي السائل، مما يُنشئ كل طبقة من الجسم ثلاثي الأبعاد المطلوب عن طريق التشابك (تكوين روابط بين جزيئات البوليمرات). وقد تم اختراع هذه التقنية بهدف تمكين المهندسين من إنشاء نماذج أولية لتصاميمهم بطريقة أكثر فعالية من حيث الوقت. ^{[ 4 ] [ 10 ]} بعد منح براءة الاختراع في عام 1986، ^{[ 2 ]} شارك هول في تأسيس أول شركة طباعة ثلاثية الأبعاد في العالم، وهي شركة 3D Systems ، لتسويقها تجارياً. ^{[ 11 ]}

ساهم نجاح تقنية الطباعة المجسمة الضوئية في صناعة السيارات في ترسيخ مكانة الطباعة ثلاثية الأبعاد في الصناعة، ولا تزال هذه التقنية تجد استخدامات مبتكرة في العديد من المجالات الدراسية. ^{[ 10 ] [ 12 ]} وقد بُذلت محاولات لبناء نماذج رياضية لعمليات الطباعة المجسمة الضوئية، وتصميم خوارزميات لتحديد إمكانية تصنيع جسم مُقترح باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. ^{[ 13 ]}

الطباعة المجسمة الضوئية هي عملية تصنيع إضافية، تعتمد في أكثر أشكالها شيوعًا على تركيز شعاع ليزر فوق بنفسجي على حوض من راتنج البوليمر الضوئي . ^{[ 14 ]} وبمساعدة برامج التصنيع أو التصميم بمساعدة الحاسوب (CAM/CAD)، ^{[ 15 ]} يُستخدم الليزر فوق البنفسجي لرسم تصميم أو شكل مُبرمج مسبقًا على سطح حوض البوليمر الضوئي. تتميز البوليمرات الضوئية بحساسيتها للأشعة فوق البنفسجية، مما يؤدي إلى تصلب الراتنج كيميائيًا ضوئيًا وتشكيل طبقة واحدة من الجسم ثلاثي الأبعاد المطلوب. ^{[ 16 ]} بعد ذلك، تُخفض منصة الطباعة طبقة واحدة، ثم تقوم شفرة بإعادة طلاء الجزء العلوي من الحوض بالراتنج. ^{[ 5 ]} تُكرر هذه العملية لكل طبقة من التصميم حتى يكتمل الجسم ثلاثي الأبعاد. يجب غسل الأجزاء المكتملة بمذيب لإزالة الراتنج الرطب من أسطحها. ^{[ 17 ]}

من الممكن أيضًا طباعة الأجسام "من الأسفل إلى الأعلى" باستخدام حوض ذي قاع شفاف، وتوجيه ليزر البلمرة فوق البنفسجي أو الأزرق الداكن لأعلى عبر قاع الحوض. ^{[ 17 ]} تبدأ آلة الطباعة المجسمة المقلوبة عملية الطباعة بخفض منصة البناء حتى تلامس قاع الحوض المملوء بالراتنج، ثم رفعها لأعلى بمقدار طبقة واحدة. بعد ذلك، يكتب ليزر الأشعة فوق البنفسجية الطبقة السفلية من الجزء المطلوب عبر قاع الحوض الشفاف. ثم يُرجّ الحوض، فينثني قاعه ويفصله عن البوليمر الضوئي المتصلب؛ فينفصل البوليمر المتصلب عن قاع الحوض ويبقى ملتصقًا بمنصة البناء المرتفعة، ويتدفق بوليمر ضوئي سائل جديد من حواف الجزء المبني جزئيًا. ثم يكتب ليزر الأشعة فوق البنفسجية الطبقة الثانية من الأسفل، ويكرر العملية. تتمثل إحدى مزايا هذا النمط التصاعدي في إمكانية أن يكون حجم الطباعة أكبر بكثير من حوض الطباعة نفسه، ولا يلزم سوى كمية كافية من البوليمر الضوئي للحفاظ على قاع حوض الطباعة ممتلئًا به باستمرار. يُعد هذا الأسلوب شائعًا في طابعات SLA المكتبية، بينما يُعد أسلوب الطباعة العمودية أكثر شيوعًا في الأنظمة الصناعية. ^{[ 5 ]}

تتطلب الطباعة المجسمة استخدام هياكل داعمة تُثبّت على منصة المصعد لمنع الانحراف بفعل الجاذبية، ومقاومة الضغط الجانبي الناتج عن الشفرة المملوءة بالراتنج، أو تثبيت الأجزاء المُنشأة حديثًا أثناء اهتزاز حوض الطباعة في الطباعة من الأسفل إلى الأعلى. تُنشأ الدعامات عادةً تلقائيًا أثناء إعداد نماذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، ويمكن إنشاؤها يدويًا أيضًا. في كلتا الحالتين، يجب إزالة الدعامات يدويًا بعد الطباعة. ^{[ 5 ]}

تعتمد أشكال أخرى من الطباعة المجسمة على بناء كل طبقة باستخدام قناع شاشة الكريستال السائل، أو باستخدام جهاز عرض DLP. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

تُعرف المواد السائلة المستخدمة في الطباعة بتقنية SLA باسم "الراتنجات"، وهي بوليمرات متصلبة حراريًا. تتوفر أنواع عديدة من الراتنجات تجاريًا، كما يُمكن استخدام راتنجات مُحضّرة محليًا. تختلف خصائص المواد باختلاف تركيباتها: "قد تكون المواد لينة أو صلبة، أو غنية بمواد ثانوية كالزجاج والسيراميك، أو مُزوّدة بخصائص ميكانيكية كارتفاع درجة حرارة الانحراف الحراري أو مقاومة الصدمات". ^{[ 20 ]} وقد اختبرت بعض الدراسات مؤخرًا إمكانية استخدام مواد صديقة للبيئة ^{[ 21 ]} أو قابلة لإعادة الاستخدام ^{[ 22 ]} لإنتاج راتنجات "مستدامة". يُمكن تصنيف الراتنجات إلى الفئات التالية: ^{[ 23 ]}

• راتنجات قياسية، للنماذج الأولية العامة
• راتنجات هندسية، لخصائص ميكانيكية وحرارية محددة
• الراتنجات المستخدمة في طب الأسنان والطب، للحصول على شهادات التوافق الحيوي
• راتنجات قابلة للصب، للحصول على محتوى رماد خالٍ بعد الاحتراق
• راتنجات المواد الحيوية، المصاغة على شكل محاليل مائية من البوليمرات الاصطناعية مثل بولي إيثيلين جلايكول ، أو البوليمرات البيولوجية مثل الجيلاتين أو الدكستران أو حمض الهيالورونيك .

• تصنيع الخيوط المنصهرة (FFF أو FDM)
• التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS)
• التشكيل الحراري
• تصنيع الأجسام المصفحة (LOM)
• .stl - تنسيق الملف

• رسوم متحركة للنماذج الأولية السريعة والطباعة المجسمة - توضح الرسوم المتحركة الطباعة المجسمة وآليات عمل آلة الطباعة المجسمة.