Modular additive manufacturing of ceramics via solvent assisted interfacial joining

تخيل أنك تحاول بناء كاتدرائية من الزجاج. لا يمكنك ببساطة صب المادة المنصهرة في قالب، لأن الشكل معقد للغاية، بوجود غرف مجوفة وأقواس ملتوية قد تنهار تحت ثقلها قبل أن تتصلب. لعقود من الزمن، لجأ العلماء إلى تقنية تُعرف بالتصنيع الإضافي، والتي تُعرف غالبًا بالطباعة ثلاثية الأبعاد، لحل هذه المشكلة. ومن خلال بناء الجسم طبقة تلو أخرى، يمكنهم إنشاء أشكال سيراميكية معقدة كان من المستحيل صنعها سابقًا. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها حد عنيد: حجم الجسم مقيد بحجم الآلة. إذا كنت تريد قطعة أكبر من غرفة البناء الخاصة بالطابعة، فأنت عالق. لا يمكنك طباعة قطعة واحدة، وعادة ما يؤدي لصق القطع المنفصلة معًا إلى ترك درزة ضعيفة تنكسر تحت الضغط.

لقد وجد فريق من الباحثين في معهد هاربين للتكنولوجيا طريقة لتجاوز حد الحجم هذا دون التضحية بالقوة. فقد طوروا طريقة لطباعة أجزاء السيراميك في أقسام أصغر ثم دمجها معًا بسلاسة تجعل الجسم النهائي يتصرف كما لو كان مصنوعًا من قطعة واحدة. وبدلاً من استخدام الغراء أو الحرارة لربط القطع، يستخدمون مذيبًا سائلًا بسيطًا لتليين سطح الأجزاء المطبوعة مؤقتًا، مما يسمح لجزيئات السيراميك بالاختلاط وإعادة الاتحاد على المستوى الجزيئي. هذا النهج، الذي يسم يطلقون عليه التصنيع الإضافي النمطي، يسمح بإنشاء هياكل سيراميكية كبيرة ومعقدة يمكن طباعتها على آلات متعددة وتجميعها في وحدة واحدة صلبة.

يكمن جوهر هذا الاكتشاف في خليط سائل خاص، أو "الملاط"، المستخدم في الطباعة. عادةً، عندما تطبع باستخدام السيراميك، فإنك تخلط مسحوق سيراميك ناعم مع راتنج سائل يتصلب عند التعرض للضوء. وقد عدل الباحثون هذه الوصفة بإضافة نوع معين من سلاسل البوليمر التي تتصرف مثل حبل طويل ومرن. عندما يعمل الضوء على معالجة الراتنج لتشكيل طبقة صلبة، فإن سلاسل البوليمر هذه لا تترابط لتشكل شبكة صلبة؛ بل تظل كخيوط خطية فضفاضة. هذا التغيير الطفيف أمر بالغ الأهمية. فعندما يطبق الباحثون لاحقًا مذيبًا، مثل بيوتيل الأسيتات، على سطح قطعة سيراميك مطبوعة، تمتص هذه السلاسل البوليمرية الفضفاضة السائل وتنتفخ. وتتفكك العقد وتصبح سائلة مرة أخرى، محولةً السطح الصلب لقطعة السيراميك إلى طبقة ناعمة تشبه الهلام (الجل).

هذه الحالة الهلامية المؤقتة هي المفتاح لعملية الربط. فعندما يتم ضغط قطعتين من السيراميك المطبوع معًا بينما لا يزال سطحهما في هذه الحالة الهلامية، تنتشر سلاسل البوليمر من قطعة واحدة إلى الأخرى. وبينما تتحرك عبر الحدود، تحمل جزيئات مسحوق السيراميك معها، مما يؤدي فعليًا إلى خلط السطحين معًا. لم تعد الجزيئات مفصولة بخط متميز؛ بل أصبحت متداخلة داخل شبكة البوليمر. وبمجرد تبخر المذيب، تعود سلاسل البلمر للتشابك وتتصلب، مما يحبس جزيئات السيراميك في مكانها. والنتيجة هي وصلة حيث اختفت الواجهة بين القطعتين الأصليتين، وحلت محلها بنية مستمرة وموحدة.

اختبر الباحثون هذه الطريقة بربط نوعين من وحدات السيراميك. في السيناريو الأول، قاموا بربط قطعتين من السيراميك المطبوع حديثًا وغير المطبوخ، والمعروف باسم "الأجسام الخضراء". وفي السيناريو الثاني، قاموا بربط جسم أخضر مطبوع حديثًا بقطعة من السيراميك التي تم حرقها وتصلبت بالفعل. بالنسبة للنوع الأول، كانت العملية سريعة بشكل ملحوظ؛ إذ كان ترطيب السطح لمدة خمس عشرة ثانية فقط كافيًا لإنشاء رابط قوي. أما بالنسبة للنوع الثاني، حيث كانت إحدى القطع صلبة ومسامية بالفعل، فقد تطلبت العملية مزيدًا من العناية. فقد وجد الباحثون أنه إذا لم يعالجوا القطعة الصلبة مسبقًا، فإن المذيب سيُمتص بعمق في مسامها، مما يضعف الرابط. ومن خلال سد مسام القطعة الصلة بشمع منصهر قبل الربط، ضمنوا بقاء المذيب عند السطح، مما سمح بتكوين الرابط بفعالية في حوالي ثلاثين ثانية.

ولإثبات أن القطع المربوطة كانت حقًا جسمًا واحدًا صلبًا، أخضع الفريق القطع المربوطة لاختبارات صارمة. لقد قاموا بثني قضبان السيراميك المربوطة حتى انكسرت. وفي كل حالة، تحملت الأجزاء المربوطة نفس الوزن الذي تحمله قضيب مطبوع كقطعة واحدة مستمرة دون أي ربط على الإطلاق. لم تكن قوة الرابط مجرد جزء من الكل؛ بل كانت مساوية للكل. كان هذا اكتشافًا مهمًا لأن طرق ربط السيراميك السابقة غالبًا ما كانت تؤدي إلى نقاط ضعف حيث تنهار المادة أولاً. هنا، كانت الواجهة غير قابلة للتمييز عن بقية المادة.

كما نظر الباحثون داخل المناطق المربوطة باستخدام مجاهر قوية لرؤية ما يحدث على المستوى المجهري. ووجدوا أن جزيئات الس ceram كانت متراصة وموزعة بشكل موحد عبر الحدود، دون وجود فجوات أو شقوق. وبعد عملية التسخين النهائية، التي تزيل البوليمر وتدمج جزيئات السيراميك معًا، نمت الهياكل البلورية عبر خط الحدود. وفي بعض الحالات، نمت البلورات من جانب واحد من الوصلة إلى الجانب الآخر، مما أدى إلى محو الخط الذي التقت عنده القطعتان تمامًا. هذا الاستمرار المجهري هو ما يمنح الجسم النهائي قوته، مما يضمن توزيع إجهاد الاستخدام بالتساوي عبر الهيكل بأكمان بدلاً من تركيزه عند درزة ضعيفة.

تتضح القوة الحقيقية لهذه الطريقة عند النظر فيما يمكن بناؤه. لقد استعرض الباحثون ثلاثة تطبيقات متميزة. أولاً، صنعوا كرة متداخلة، وهي بنية حيث توجد كرة أصغر داخل غلاف مجوف أكبر. في التصنيع التقليدي، يتطلب هذا وجود دعامات لإبقاء الكرة الداخلية في مكانها أثناء الطباعة، وهو أمر يستحيل إزالته بمجرد إغلاق الغلاف الخارجي. ومن خلال طباعة الأغلفة الداخلية والخارجية كوحدات منفصلة ودمجها، صنعوا كرة داخلية تدور بحرية دون الحاجة إلى دعامات. ثانيًا، بنوا مادة خارقة (metamaterial)، وهي بنية شبكية معقدة مصممة لامتلاك خصائص فيزيائية فريدة. ومن خلال طباعة وحدات متطابقة وصغيرة ودمجها معًا، تمكنوا من إنشاء هيكل كبير بشكل أسرع بكثير من طباعته دفعة واحدة، وكان بإمكانهم القيام بذلك باستخدام طابعات متعددة تعمل بالتوازي. وأخيرًا، قاموا بتجميع هيكل مشدود، بجمع ألواح سيراميك متوفرة تجاريًا مع مركز يشبه السلسلة مطبوع بطريقتهم. سمح هذا النهج الهجين بإنشاء هيكل يمكنه تحمل الأحمال، مما أظهر أن تقنيات التصنيع المختلفة يمكن خلطها ومطابقتها لتناسب احتياجات التصميم.

يشير هذا العمل إلى مسار جديد لتصنيع السيراميك. فهو يبتعد عن فكرة أن الجزء يجب أن يُصنع بواسطة آلة واحدة في عملية واحدة. بدلاً من ذلك، يعامل عملية التصنيع مثل تجميع لغز، حيث يتم طباعة كل قطعة بالحجم الأمثل لها ثم دمجها في كلٍ واحد. الطريقة بسيطة، لا تتطلب سوى مذيب ووقت انتظار قصير، ومع ذلك فهي تتغلب على القيود الأساسية المتعلقة بالحجم والقدرة الإنتاجية التي أعاقت هذا المجال. ومن خلال ضمان أن تكون الأجزاء المربوطة بنفس قوة المادة الأصلية، أظهر الباحثون أن الطباعة النمطية ليست مجرد حل مؤقت، بل هي استراتيجية قابلة للتطبيق لإنشاء مكونات سيراميكية كبيرة وعالية الأداء لصناعات الطيران والطاقة وغيرها من الصناعات المتطلبة. إن مستقبل تصنيع السيراميك قد لا يتعلق ببناء طابعات أكبر، بل ببناء طرق أذكى لربط القطع التي نمتلكها بالفعل.