Finite Element Simulation of Microwave Technologies for PowderBased Volumetric Additive Manufacturing Processes

لطالما اعتمدت التصنيع على مبدأ بسيط وبطيء: بناء الأشياء طبقة تلو الأخرى. وسواء كان ذلك بتشكيل المعدن أو تصلب البلاستيك، فإن الطابعات ثلاثية الأبعاد التقليدية تعمل عن طريق ترسيب المواد في شرائح رقيقة، وتكديسها فوق بعضها البعض حتى يظهر جسم نهائي. وبينما تسمح هذه الطريقة بتعقيد مذهل، إلا أنها بطيئة بطبيعتها وغالبًا ما تقتصر على مواد محددة يمكن صهرها أو لصقها معًا بسهلولة. ويسعى نهج جديد أكثر طموحًا يسمى "التصنيع الحجمي الإضافي" إلى كسر هذا القيد من خلال تجميد حجم كامل من المادة دفعة واحدة، بدلاً من الانتظار لتراكم الطبقات. حاليًا، تعمل هذه التقنية بشكل جيد مع الراتنجات السائلة التي تتصلب عند تعرضها للضوء، لكنها تفشل مع المساحيق المستخدمة لصنع المعادن والسيراميك، والتي تشتت الضوء وتظل معتمة. وقد تمثل التحدي في إيجاد طريقة لتسخين هذه المساحيق بدقة كافية لدمجها في أشكال معقدة دون صهر الدفعة بأكملة وتحويلها إلى كتلة صلبة.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة فيكتوريا خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال استكشاف استخدام الموجات الدقيقة (الميكروويف) بدلاً من الضوء. وفي سلسلة من المحاكاة الحاسوبية، بحثوا فيما إذا كان يمكن تشكيل طاقة الموجات الدقيقة في أنماط محددة داخل حاوية من المسحوق، مما يخلق شبكة من النقاط الساخنة التي تدمج المادة فقط حيث يلزم ذلك. ويركز عملهم على ثلاثة تصميمات مختلفة للأجهزة، يحاول كل منها هندسة أنماط الحرارة هذه بطريقة فريدة. والهدف ليس مجرد صهر المسحوق، بل إنشاء "شبكات حرارية"؛ وهي شبكات ثلاثية الأبعاد معقدة من المواد المدمجة المحاطة بمسحوق غير مدمج يمكن تنظيفه لاحقًا. وهذا من شأنه أن يسمح بإنشاء هياكل خفيفة الوزن وقوية مصنوعة من مواد كان من المستحيل طباعتها بهذه الطريقة سابقًا.

النموذج الأول الذي صممه الباحثون هو "الرنان الخطي"، وهو عبارة عن أنبوب طويل ترتد فيه الموجات الدقيقة ذهابًا وإيابًا لإنشاء موجات مستقرة. تخيل التموجات في بركة عندما تلتقي موجتان وتستقران في نمط ثابت؛ استخدم الباحثون هذا المبدأ لترتيب الطاقة داخل أنبوب مليء بمسحوق السيراميك. ومن خلال ضبط التردد وشكل الموجات بعناية، وجدوا أن الطاقة تتركز طبيعيًا في نقاط محددة، مكونة شبكة من العقد الساخنة. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، نجح هذا الإعداد في تسخين مسحوق سيراميك يسمى "السيليكا المنصهرة" إلى درجات حرارة قريبة من نقطة انصهاره في غضون ربع ثانية فقط. كانت الحرارة شديدة بما يكفي لدمج المسحوق عند هذه النقاط المحددة، مما خلق هيكلًا شبكيًا بخلية عرضها حوالي مليمتر واحد. ومع ذلك، اكتشف الفريق عاملًا حدّيًا ذاتيًا: فمع تسخين المسحوق، تتغير قدرته على امتصاص الموجات الدقيقة، مما يؤدي في النهاية إلى تلاشي نمط التسخين. وهذا يشير إلى أنه بينما تنجح هذه الطريقة، يجب أن يكون التوقيت دقيقًا لالتقاط الشبكة قبل أن يتلاشى النمط.

وللحصول على تحكم أكبر في شكل الحرارة، لجأ الباحثون إلى التصميم الثاني: "المتداخل المتقاطع". يشبه هذا الجهاز وصلة على شكل حرف L حيث تدخل الموجات الدقيقة من اتجاهين متعامدين وتتصادم داخل وعاء من المسحوق. وبدلاً من الاعتماد على نمط ارتداد ثابت، يستخدم هذا الإعداد تداخل الموجتين الواردتين لإنشاء شبكة ثلاثية الأبعاد معقدة من النقاط الساخنة والباردة. أظهرت عمليات المحاكاة أن هذه الطريقة يمكن أن تنتج تفاصيل أدق من الرنان الخطي، مع مسافات بين النقاط الساخنة تقل عن مليمتريْن. ومع ذلك، جاءت هذه المرونة مع مقايضة؛ فبسبب اعتماد نمط التسخين على التوازن الدقيق بين الموجتين، فإن أي تغيير طفيف في خصائص المسحوق أثناء تسخينه تسبب في انزياح النمط وانحرافه. ووجد الباحثون أنه بينما ظل الشكل العام للشبكة قابلاً للتنبؤ، فإن الموقع الدقيق للحرارة كان يتحرك بمرور الوقت. وهذا يعني أن استخدام هذا الجهاز سيتطلب نظامًا حاسوبيًا متطورًا لضبط الموجات باستمرار في الوقت الفعلي للحفاظ على استقرار النمط.

أما النهج الثالث والأكثر تميزًا فقد صُمم خصيصًا لمساحيق المعادن، التي يصعب تسخينها بالموجات الدقيقة لأنها تعكس الطاقة بدلاً من امتصاصها. ولهذا الغرض، صمم الفريق "مسخن حدود خارجي". فبدلاً من محاولة تسخين المعدن من الداخل، يستخدم هذا الجهاز مسحوق المعدن نفسه كجدار لاحتواء الموجات الدقيقة. تنتقل الطاقة عبر كتلة سيراميكية وتحدث تيارات كهربائية على سطح مسحوق المعدن، مما يسخن الطبقة الخارجية فقط. وفي عمليات المحاماة، نجحت هذه الطريقة في إنشاء قشرة رقيقة مجوفة من المعدن المدمج حول الجهاز. ورغم أن هذا لا يسمح بإنشاء هياكل داخلية صلبة ومعقدة مثل الطريقتين الأخريين، إلا أنه يفتح الباب لتصنيع أنابيب وهياكل معدنية مجوفة يصعب صنعها بالتقنيات الحالية. وأشارت عمليات المحاكاة إلى أن هذه العملية تتطلب طاقة هائلة، تصل إلى مليون واط، للتغلب على الطريقة السريعة التي ينقل بها المعدن الحرارة بعيدًا عن السطح.

وفي جميع التصميمات الثلاثة، كشفت عمليات المحاكاة عن مطلب مشترك: الحاجة إلى طاقة عالية جدًا لإنشاء هذه الأنماط قبل أن تتاح للحرارة فرصة للانتشار وتدمير التفاصيل الدقيقة. وحسب الباحثون أن تحقيق هذه النتائج سيتطلب قدرات دخل تتراوح بين مائتي ألف ومليون واط. وبينما تعد مستويات الطاقة هذه ممكنة تقنيًا باستخدام المعدات الصناعية الموجودة، إلا أن الآلات ضخمة ومكلفة وتستهلك الكثير من الطاقة. علاوة على ذلك، سلطت الدراسة الضوء على فجوة حرجة في المعرفة الحالية: اضطر الفريق إلى الاعتماد على بيانات تقديرية لكيفية سلوك هذه المساحيق عند درجات الحرارة العالية، نظرًا لندرة القياسات الدقيقة. وتشير عمليات المحاكاة إلى أن الأشكال الهندسية للشبكات قوية بما يكفي للبقاء رغم الاختلافات الصغيرة في خصائص المواد، لكن درجات الحرارة الدقيقة ومعدلات التسخين تظل غير مؤكدة بدون اختبارات واقعية.

تخلص الدراسة إلى أنه على الرغم من أن أنظمة الموجات الدقيقة هذه ليست جاهزة بعد لخطوط الإنتاج في المصانع، إلا أنها تمثل مسارًا قابلًا للتطبيق نحو التصنيع الحجمي. لقد أثبت الباحثون أنه من الممكن هندسة أنماط حرارية في مساحيق السيراميك والمركبات والمعادن دون استخدام الضوء، مما يتجاك بفعالية القيود المفروضة على الطباعة ثلاثية الأبعاد الحالية. يوفر الرنان الخطي طريقة مستقرة لطباعة شبكات سيراميك بسيطة، ويوفر المتداخل المتقاطع القدرة على إنشاء أشكال مخصصة ومعقدة إذا تم إتقان أنظمة التحكم، ويوفر مسخن الحدود طريقة جديدة لصب الأجزاء المعدنية المجوفة. وسيعتمد جعل هذه الأفكية حقيقة واقعة على تطوير مواد تمتص الموجات الدقيقة بكفاءة أكبر وإنشاء مصادر الطاقة العالية اللازمة لتشغيل هذه العملية. وإذا تم تجاوز هذه العقبات، فقد تكون النتيجة عصرًا جديدًا من التصنيع حيث تُطبع الهياكل المعقدة وخفيفة الوزن المصنوعة من أقسى المواد في ثوانٍ بدلاً من ساعات.