Experimental analysis and predictive modeling of the tensile and flexural strength of FDM-printed PLA for clinical devices

تخيل عالماً لا تُصنع فيه الأدوات التي يستخدمها الأطباء للشفاء في المصانع، بل تُصاغ واحدة تلو الأخرى، لتناسب تماماً الشكل الفريد لجسم المريض. هذا هو الوعد الذي تقدمه التصنيع الإضافي، والذي يُطلق عليه غالباً الطباعة ثلاثية الأبعاد. وخلافاً للطرق التقليدية التي تنحت المادة من كتلة صلبة، تقوم هذه التقنية ببناء الأجسام طبقة تلو أخرى، مثل تكديم شرائح رقيقة من العجين حتى يتشكل الرغيف. ومن أكثر المواد شعبية لهذه العملية هو بلاستيك مشتق من نشا الذرة أو قصب السكر، يُعرف باسم حمض البوليلكتيك، أو PLA. وهو مفضل لأنه آمن للجسم البشري، ويتحلل طبيعياً بمرور الوقت، وسهل الطباعة نسبياً. ومع ذلك، لكي تُستخدم هذه الأجسام المطبوعة كأجهزة طبية، مثل الأدلة الجراحية أو الغرسات المخصصة، يجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل قوى الجسم البشري دون انكسار أو انحناء. ويكمن التحدي في أن الطريقة التي تضع بها الطابعة ثلاثية الأبعاد هذا البلاستيك تخلق نقاط ضعف صغيرة داخل المادة، مما يجعل سلوكها يختلف اعتماداً على الاتجاه الذي تسحبها أو تدفعها منه.

لقد عزم فريق من الباحثين في جامعة تونس المنار وجامعة المنستير على حل هذا اللغز عبر التعامل مع عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد كأنها وصفة دقيقة. أرادوا فهم كيف تغير ثلاثة إعدادات محددة بدقة—سُمك كل طبقة من البلاستيك، وسرعة حركة الطابعة، وكمية البلاستيك الإضافية التي تُدفع عبر الفوهة—قوة الجسم النهائي. وبينما يعلم العلماء منذ زمن طويل أن سُمك الطبقة والسرعة أمران مهمان، إلا أن كمية البلاستيك التي تُعصر للخارج، والمعروفة بنسبة البثق، كانت لغزاً. اشتبه الباحثون في أن دفع المزيد قليلاً من الب plástico مما هو مضبوط في الإعداد القياسي قد يملأ الفجوات الصغيرة بين الطبقات، مما يخلق جزءاً أكثر كثافة وقوة. ولاختبار ذلك، لم يعتمدوا على التخمين، بل قاموا بطباعة مئات القطع الاختبارية الصغيرة، كل منها بمزيج مختلف من هذه الإعدادات الثلاثة، ثم أخضعوها لاختبارات فيزيائية صارمة. لقد سحبوا القطع بعيداً عن بعضها لقياس قوة الشد، وهي القوة المطلوبة لكسرها، وثنوها لقياس قوة الانثناء، وهي مدى مقاومتها للكسر تحت الضغط.

وكشفت النتائج عن حقيقة واضحة ومفاجئة حول كيفية تماسك هذه الأجزاء المطبوعة. وجد الباحثون أن كمية البلاستيك التي تُدفع عبر الفوهة كانت العامل الأكثر أهمية في تحديد القوة. فعندما رفعوا نسبة البثق إلى 110 بالمائة، مما يعني دفع 10 بالمائ percent أكثر من المادة مقارنة بالإعداد القياسي، اختفت الفجوات الداخلية والثقوب الصغيرة داخل البلاستيك تماماً تقريباً. هذا التعديل البسيط حوّل المادة، وجعلها أكثر متانة بشكل ملحوظ. واكتشفوا أن الأجزاء المطبوعة هي بطبيعتها "تباينية الخواص" (anisotropic)، مما يعني أنها أقوى في بعض الاتجاهات من غيرها. فعند اختبارها عن طريق الثني، استطاعت القطع تحمل ما بين 34 و51 ميجاباسكال من القوة، ولكن عند سحبها بعيداً بشكل مستقيم، صمدت تحت قوة تتراوح بين 12 و24 ميجاباسكال فقط. يحدث هذا الفرق لأن الطبقات تندمج معاً من الخارج، ولكن يمكن أن تنفصل بسهل أكبر عند سحبها مباشرة بعيداً.

ولإيجاد التوازن المثالي لإنشاء أقوى الأجهزة الطبية الممكنة، استخدم الفريق نهجاً رياضياً لتحليل جميع بياناتهم والتنبؤ بالإعدادات المثالية. وقد حددوا أن أفضل مزيج لتعظيم كل من القوة والصلابة هو استخدام سُمك طبقة قدره 0.20 مليمتر، وسرعة طباعة تبلغ 40 مليمتر في الثانية، ونسبة البثق الحاسمة تلك البالغة 110 بالمائة. وعندما اختبروا هذه الإعدادات المحددة على عينات جديدة، طابقت النتائج الواقعية توقعاتهم بدقة ملحوكظة، حيث كانت الأخطاء ضئيلة للغاية ولم تتجاوز 1.89 بالمائة، ولم تزد عن 6.32 بالمائة. وتؤكد هذه الدقة أن المهندسين، من خلال التحكم الدقيق في كمية المادة المترسبة، يمكنهم القضاء على نقاط الضعف التي تعيب عادةً الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد. وتخلص الدراسة إلى أن هذه الطريقة المحسنة توفر مخططاً موثوقاً لإنتاج مكونات PLA عالية الأداء، مما يفتح مساراً أمام تصنيع الأدوات الطبية المخصصة، والغرسات، وغيرها من الأجهزة التي يجب أن تكون خفيفة الوزن ومتينة للغاية في آن واحد.