Comprehensive Characterization of SLA-Printed SOMOS Watershed XC 11122 and the Effect of UV Post-Curing on Mechanical, Tribological, Spectroscopic and Morphological Properties

تخيل أنك نحات، ولكن بدلاً من النحت في الحجر، أنت تبني تمثالاً من الضوء السائل. هذا هو عالم الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتحديداً طريقة عالية التقنية تسمى "الستيريوليثوغرافيا" (SLA). في هذه العملية، يعمل الليزر مثل عصا سحرية، حيث يرسم أنماطاً على حوض من الراتنج السائل. وحيثما يلمس الليزر، يتصلب السائل فوراً ليصبح بلاستيكاً صلباً، طبقة تلو الأخرى، حتى يبرز جسم ثلاثي الأبعاد. ولكن إليك الخدعة: الجسم الذي يخرج من الطابعة ليس "جاهزاً" تماماً. إنه يشبه كعكة خُبزت للتو ولكن لم يتم تزيينها أو تركها في الفرن لفترة كافية لتتماسك. لا يزال الجزء الداخلي منها لزجاً بعض الشيء، مع وجود بعض وحداتها البنائية الكيميائية غير متصلة بعد. ولجعل الجزء قوياً ومتيناً، يتعين على المهندسين إعطاؤه علاجاً يُسمى "المعالجة اللاحقة" (post-cure)، وعادة ما يكون ذلك عن طريق تعريضه لمزيد من الأشعة فوق البنفسجية (UV) والحرارة. هذا هو "الخبز النهائي" الذي يربط الهيكل معاً.

السؤال الكبير الذي يطرحه العلماء غالباً هو: كم هي الكمية الكافية؟ إذا خبزته قليلاً، سيبقى ضعيفاً. وإذا خبزته لفترة طويلة جداً، قد تحرقه بالخطأ أو تخلق إجهادات داخلية تجعله هشاً. إنها عملية توازن دقيقة، تشبه إلى حد كبير محاولة العثور على اللحظة المثالية لإخراج "السوفليه" من الفرن. تغوص هذه الدراسة في هذا اللغز تحديداً باستخدام نوع معين وشائع من البلاستيك السائل يسمى SOMOS Watershed XC 11122. أراد الباحثون معرفة كيف يغير اختلاف أوقات هذا "الخبز النهائي" قوة المادة، ومدى مقاومتها للاحتكاك بالأسطح الأخرى (مثل احتكاك نعل الحذاء بالرصيف)، وما الذي يحدث لتركيبتها الجزيئية في الداخل.

التجربة: سباق ضد الزمن

قام الفريق في كلية آر. في. للهندسة (R.V. College of Engineering) بطباعة مجموعة من الأجزاء المتطابقة باستخدام طابعتهم الليزرية، مع ضبط سمك الطبقة عند 50 ميكرومتر ضئيلة جداً (أقل من سمك شعرة الإنسان). وبمجرد طباعتها، قسموا الأجزاء إلى ثلاث مجموعات لاختبار وقت "الخبز". حصلت المجموعة الأولى على عدم معالجة إضافية على الإطلاق (مجموعة "غير المعالجة"). وحصلت المجموعة الثانية على دفعة لمدة 10 دقائق من الأشعة فوق البنفسجية عند درجة حرارة 75 مئوية. أما المجموعة الثالثة، فقد حصلت على دفعة أطول لمدة 30 دقيقة تحت نفس الظروف. بعد ذلك، أخضعوا هذه الأجزاء البلاستيكية لسلسلة من الاختبارات لمعرفة أي مجموعة ستنتصر.

النتائج: النقطة المثالية والمبالغ في الطهي

عندما تعلق الأمر بشد الأجزاء بعيداً عن بعضها (قوة الشد)، كانت مجموعة الـ 10 دقائق هي الفائزة بوضوح. استطاعت هذه الأجزاء تحمل قوة قدرها 61.1 ± 2.3 ميجا باسكال قبل أن تنكسر، وهي أقوى بنسبة 17.7% تقريباً من الأجزاء التي لم تحصل على خبز إضافي. كما كانت أكثر صلابة، حيث بلغت قيمة "المعامل" (وهو مقياس للصلابة) 1408 ± 75 ميجا باسكال، وهي قفزة بنسبة 35.9% عن المجموعة غير المعالجة.

ومع ذلك، لم تفز مجموعة الـ 30 دقيقة. في الواقع، جاءت في المنتصف تماماً، فهي أضعف من مجموعة الـ 10 دقائق ولكنها أقوى من المجموعة غير المعالجة. يشير هذا إلى أنه بينما تعمل الـ 10 دقائق كـ "نقطة مثالية" حيث تترابط الروابط الكيميائية بشكل مثالي، فإن الاستمرار لمدة 30 دقيقة يبدأ في إحداث بعض الضرر. الأمر يشبه المبالغة في طهي شريحة اللحم؛ فالوقت الإضافي لا يجعلها أفضل، بل يبدأ فقط في تفكيك الببنية، وهي ظاهرة يسميها الباحثون "التشظي السلسلي الناتج عن الأكسدة الضوئية" (photo-oxidative chain scission).

ومن المثير للاهتمام، عندما حاولوا ثني الأجزاء حتى تنكسر، لم تنكسر أي منها على الإطلاق! بغض النظر عن مدة خبزها، كان البلاستيك متيناً ومرناً للغاية لدرجة أنه انثنى وانثنى حتى نفدت مساحة الحركة في آلة الاختبار. يخبرنا هذا أن المادة شديدة المطيلية (ductile)، مما يعني أنها يمكن أن تتمدد وتتشوه دون أن تتحطم.

الاحتكاك والتآكل

اختبر الباحثون أيضاً مدى مقاومة الأجزاء للتآكل عن طريق حكها مقابل قرص معدني دوار، لمحاكاة كيفية تآكل جزء ما في الحياة الواقعية. كانت النتائج هنا دراماتيكية. الأجزاء غير المعالجة كانت كارثية؛ فقد تآكلت بسرعة، حيث فقدت بعضها ما يصل إلى 1943 ميكرومتر من المادة تحت ضغط شديد. كان الأمر أشبه بمحاولة كشط كتلة من الزبدة الطرية مقابل ورق صنفرة.

أدت الأجزاء المخبوزة لمدة 10 دقائق أداءً أفضل بكثير، لكن الأجزاء المخبوزة لمدة 30 دقيقة كانت هي البطلة في المتانة. عند ظروف اختبار محددة (حمل قدره 15 نيوتن وسرعة 318 دورة في الدقيقة)، فقدت أجزاء الـ 30 دقيقة 32.4 ميكرومتر فقط من المادة، مقارنة بـ 96.8 ميكرومتر لأجزاء الـ 10 دقائق، وحوالي 851.8 ميكرومتر للأجزاء غير المعالجة. ورغم أن أجزاء الـ 30 دقيقة كانت تمتلك "معامل احتكاك" أعلى قليلاً (مما يعني أنها تبدو أكثر "تماسكاً" أو خشونة عند الانزلاق)، إلا أن بنيتها الجزيئية فائقة الكثافة جعلتها مقاومة جداً للتآكل. يبدو أنه بالنسبة للأجزاء التي تحتاج إلى الانزلاق ضد أشياء أخرى، فإن الـ 20 دقيقة الإضافية من الخبز تخلق درعاً أقوى، حتى لو قللت قليلاً من ذروة قوة الشد.

النظر في الداخل: عمل المحقق الجزيئي

لفهم لماذا كان هذا يحدث، استخدم الفريق مجاهر عالية التقنية وماسحات ضوئية (FTIR و Raman spectroscopy) لإلقاء نظرة داخل البنية الجزيئية للبلاستيك. كانوا يبحثون عن إشارات كيميائية محددة، مثل رابطة "C=C" التي توجد في الراتنج السائل وتختفي عندما يتحول إلى بلاستيك صلب.

وجدوا أنه بعد 10 دقائق فقط من الخبز، كانت تلك الروابط الشبيهة بالسائل قد اختفت تقريباً، مما يعني أن البلاستيك قد تحول تماماً. وبحلول الدقيقة 30، كان التحول الرئيسي قد اكتمل، لكن تغيرات أخرى دقيقة كانت لا تزال تحدث في أعماق البنية، مما أكد أن الوقت الإضافي كان بالفعل يغير المادة بطريقة ليست مجرد "مزيد من الشيء نفسه".

كما نظروا إلى السطح باستخدام مجهر إلكتروني قوي (SEM). بدت الأجزاء غير المعالجة وكأنها سُحبت عبر حقل ألغام، مع وجود خدوش عميقة وواسعة وتراكمات من البلاستي الممزق. أما أجزاء الـ 30 دقيقة، فقد كانت تحتوي على خدوش أدق وأنعم بكثير، مما يظهر أن المادة قوية جداً لدرجة أنها تقاوم هجوم القرص المعدني بشكل أفضل بكثير.

الخلاصة

تعطينا هذه الدراسة خريطة واضحة لاستخدام هذا النوع المحدد من راتنج الطباعة ثلاثية الأبعاد. إذا كنت بحاجة إلى جزء يجب أن يكون قوياً قدر الإمكان عند شده، فقم بخبزه لمدة 10 دقائق. هذا هو الرقم السحري لتحقيق أقصى قوة. ولكن إذا كنت تصنع جزءاً سيحتك أو ينزلق أو يتآكل بسبب الاحتكاك، فعليك أن تبذل جهداً إضافياً وتخبزه لمدة 30 دقيقة. فالوقت الإضافي يخلق درعاً أكثر كثافة ومتانة يقاوم التآكل بشكل أفضل بكثير، حتى لو جعل الجزء أقل قوة قليلاً في اختبار شد الحبل.

لاحظ الباحثون أيضاً أن الأجزاء غير المعالجة كانت غير متوقعة في حجمها، حيث كانت تتمدد أو تتقلص بنسبة تصل إلى 14.8% في اتجاهات معينة، بينما كانت الأجزاء المخبوزة أكثر استقراراً. وخلصوا إلى أنه بينما تعتبر الـ 10 دقائق رائعة للقوة، فإن الـ 30 دقيقة هي السلاح السري للمتانة، مما يثبت أنه في عالم الطباعة ثلاثية الأبعاد، أحياناً يكون للوقت الإضافي فرق حقيقي بين جزء يصمد وآخر يتآكل.