ليثوجرافيا مجسمة

تمثيل تخطيطي لليثوجرافيا مجسمة: جهاز باعث للضوء a) يبث الليزر أو DLP بشكل انتقائي الجزء السفلي الشفاف c) الخزان b) المملوء براتنج سائل بلمرة ضوئي. يتم سحب الراتنج المتصلب d) تدريجياً بواسطة منصة رفع e)
جزء مُنتَج عن طريق الليثوجرافيا المجسمة
مثال على لوحة دارات مطبوعة بواسطة ليثوجرافيا مجسمة بمكونات مختلفة لمحاكاة المنتج النهائي.

الليثوجرافيا المجسمة إنگليزية: Stereolithography (SLA أو SL؛ تُعرف أيضاً باسم البلمرة الضوئية لخزن السوائل،[1]التصنيع البصري أو التصليب الضوئي أو الطباعة الراتنجية) هو شكل من أشكال تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة لإنشاء تصاميم لنماذج مصغرة وأولية وأجزاء الإنتاج في طبقة تلو الأخرى بطريقة باستخدام عمليات كيميائية ضوئية يتسبب فيها الضوء في ربط المونومرات وقليلات القسيمات الكيميائية معاً لتشكيل پوليمرات.[2] ثم تشكل هذه الپوليمرات جسم صلب ثلاثي الأبعاد. وقد أُجريت الأبحاث خلال السبعينيات، أما المصطلح فصيغ عن طريق تشك هال في عام 1984 عندما تقدم بطلب للحصول على براءة اختراع للعملية، والتي حصل عليها عام 1986.[3]يمكن استخدام الليثوجرافيا المجسمة لإنشاء نماذج أولية للمنتجات قيد التطوير، والنماذج الطبية، وأجهزة الكمبيوتر، وكذلك في العديد من التطبيقات الأخرى. في حين أن الليثوجرافيا المجسمة سريعة ويمكن أن تنتج أي تصميم، إلا أنها قد تكون باهظة الثمن.[بحاجة لمصدر]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تاريخ

الليثوجرافيا المجسمة أو طباعة "SLA" هي تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد أولية ومستخدمة على نطاق واسع. في أوائل الثمانينيات من القرن الماضي، ابتكر الباحث الياباني هيديو كوداما لأول مرة نهج الطبقات الحديث لليثوجرافيا باستخدام الأشعة فوق البنفسجية لمعالجة الپوليمرات الحساسة للضوء.[4][5] في عام 1984، قبل أن يقدم تشك هال براءة اختراعه الخاصة، قدم آلان لو ميوته وأوليڤييه دي ويت وجان كلود أندريه براءة اختراع لعملية لليثوجرافيا المجسمة.[6] ولكن رُفض طلب براءة الاختراع للمخترعين الفرنسيين من قبل شركة جنرال الكتريك الفرنسية (الآن ألكاتل-ألستوم) وسيلاس (المتخصصة في تكنولوجيا الليزر والبصريات). يعتقد لو ميوته أن الرفض يعكس مشكلة الابتكار في فرنسا.[7][8]

ومع ذلك، فإن مصطلح “ليثوجرافيا مجسمة” (باليونانية: مادة صلبة مجسمة والطباعة الحجرية) تمت صياغته في عام 1984 بواسطة تشك هال عندما قدم براءة اختراعه لهذه العملية.[2][9]حصل تشك هال على براءة اختراع لليثوجرافيا المجسمة كطريقة لإنشاء مواد ثلاثية الأبعاد عن طريق "طباعة" طبقات رقيقة من مادة ما باستخدام وسيط قابل للمعالجة بواسطة الضوء فوق البنفسجي، بدءاً من الطبقة السفلية إلى الطبقة العليا. فقد وصفت براءة اختراع هال حزمة مركزة من الأشعة فوق البنفسجية تركز على سطح وعاء مملوء بسائل پوليمر ضوئي. يركز الشعاع على سطح الپوليمر الضوئي السائل، مكوناً كل طبقة من المادة ثلاثية الأبعاد المطلوبة عن طريق ربط (توليد روابط بين الجزيئات في الپوليمرات). تم اختراعه بقصد السماح للمهندسين بإنشاء نماذج أولية لتصميماتهم بطريقة أكثر فعالية من حيث الزمن.[4][10]بعد منح براءة الاختراع عام 1986،[2] شارك هال في تأسيس أول شركة طباعة ثلاثية الأبعاد في العالم، ثري دي سستمز، لتسويقها.[11]

سمح نجاح الليثوجرافيا المجسمة في صناعة السيارات للطباعة ثلاثية الأبعاد بتحقيق مكانة صناعية وتستمر التكنولوجيا في العثور على استخدامات مبتكرة في العديد من مجالات الدراسة.[10][12]وقد بُذلت محاولات لإنشاء نماذج رياضية لعمليات الليثوجرافيا وتصميم خوارزميات لتحديد ما إذا كان يمكن إنشاء جسم مقترح باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.[13]


التقنية

الليثوجرافيا المجسمة هي عملية تصنيع جمعية، تعمل في أكثر صورها شيوعاً، عن طريق تركيز ليزر فوق بنفسجي (UV) على وعاء من راتنج پوليمر ضوئي.[14]بمساعدة برامج التصنيع باستخدام الحاسب أو التصميم بمساعدة الحاسوب (CAM/CAD)،[15] يتم استخدام ليزر الأشعة فوق البنفسجية لرسم تصميم أو شكل مبرمج مسبقاً على سطح وعاء الپوليمر الضوئي. الپوليمرات الضوئية حساسة للأشعة فوق البنفسجية، لذا فإن الراتنج يتصلب كيميائياً عن طريق الضوء ويشكل طبقة واحدة من الجسم ثلاثي الأبعاد المطلوب.[16] بعد ذلك، تقوم منصة التصميم بتخفيض طبقة واحدة وتعيد الشفرة طلاء الجزء العلوي من الخزان بالراتنج[5]تتكرر هذه العملية لكل طبقة من طبقات التصميم حتى يكتمل الجسم الثلاثي الأبعاد. يجب غسل الأجزاء المكتملة بمذيب لتنظيف الراتنج الرطب من أسطحها.[17]

من الممكن أيضاً طباعة العناصر "من الأسفل إلى الأعلى" باستخدام وعاء ذو قاع شفاف وتركيز الأشعة فوق البنفسجية أو ليزر الپلمرة الأزرق الغامق لأعلى عبر قاع الحوض.[17] تبدأ الليثوجرافيا المجسمة المعكوسة الطباعة عن طريق خفض منصة البناء لتلمس الجزء السفلي من الحوض المملوء بالراتنج، ثم تتحرك صعوداً بارتفاع طبقة واحدة. ينقش ليزر الأشعة فوق البنفسجية بعد ذلك الطبقة السفلية للجزء المطلوب من خلال قاع الحوض الشفاف. ثم يتم "هز" الوعاء، حيث يقوم بثني وتقشير قاع الحوض بعيداً عن الپوليمر الضوئي المتصلب؛ تنفصل المادة المتصلبة عن قاع الحوض وتبقى متصلة بمنصة البناء الأعلى، ويتدفق الپوليمر الضوئي السائل الجديد من حواف الجزء المبني جزئياً. ثم ينقش ليزر الأشعة فوق البنفسجية الطبقة الثانية من الأسفل ويكرر العملية. تتمثل ميزة هذا الوضع التصاعدي في أن حجم البناء يمكن أن يكون أكبر بكثير من الحوض نفسه، ولا يلزم سوى كمية كافية من الپوليمر الضوئي للحفاظ على الجزء السفلي من وعاء البناء ممتلئاً باستمرار بالپوليمر الضوئي. هذا النهج هو نموذجي لطابعات SLA المكتبية، في حين أن نهج الجانب الأيمن هو أكثر شيوعاً في الأنظمة الصناعية.[5]

تتطلب الليثوجرافيا المجسمة استخدام الهياكل الداعمة التي تعلق على منصة الرفع لمنع الانحراف بسبب الجاذبية، ومقاومة الضغط الجانبي من الشفرة المملوءة بالراتنج، أو الاحتفاظ بالمقاطع التي تم إنشاؤها حديثاً أثناء "اهتزاز الحوض" من الطباعة من أسفل إلى أعلى. عادةً ما يتم إنشاء الدعامات تلقائياً أثناء إعداد نماذج CAD ويمكن أيضاً إجراؤها يدوياً. في كلتا الحالتين، يجب إزالة الدعامات يدوياً بعد الطباعة.[5]

تقوم الأشكال الأخرى لليثوجرافيا المجسمة ببناء كل طبقة بإخفاء LCD أو باستخدام الكاشف الضوئي DLP.[18]

DigitalWorkflow.001.jpg

المواد

يشار عادةً إلى المواد السائلة المستخدمة في طباعة SLA باسم "الراتنجات" وهي پوليمرات متصلدة بالحرارة. تتوفر مجموعة متنوعة من الراتنجات تجارياً ومن الممكن أيضاً استخدام الراتنجات محلية الصنع لاختبار التراكيب المختلفة على سبيل المثال. كما تختلف خصائص المواد وفقاً لتكوينات الصياغة: "يمكن أن تكون المواد لينة أو صلبة، أو مليئة بشدة بمواد ثانوية مثل الزجاج والسيراميك، أو مشبعة بخصائص ميكانيكية مثل درجة حرارة الانحراف الحراري المرتفعة أو مقاومة الصدمات".[19] في الآونة الأخيرة، اختبرت بعض الدراسات إمكانية استخدام[20] مواد صديقة للبيئة[21] قابلة لإنتاج راتنجات "مستدامة". من الممكن تصنيف الراتنجات في الفئات التالية:[22]

  • راتنجات معيارية للنماذج الأولية العامة
  • الراتنجات الهندسية، لخصائص ميكانيكية وحرارية محددة
  • راتنجات طب الأسنان، للحصول على شهادات التوافق الحيوي
  • راتنجات قابلة للصب، لمحتوى نسبة رماد صفري بعد الاحتراق
  • راتنجات المواد الحيوية، صيغت كمحاليل مائية من الپوليمرات الاصطناعية مثل پولي‌إثيلين گلايكول، أو الپوليمرات الحيوية مثل الجيلاتين، دكستران، أو حمض الهيلورونيك.

Uses

النمذجة الطبية

نموذج لجمجمة عن طريق الليثوجرافيا المجسمة

استُخدمت النماذج بالليثوجرافيا المجسمة في الطب منذ التسعينيات،[23] لإنشاء نماذج دقيقة ثلاثية الأبعاد لمناطق تشريحية مختلفة للمريض، استناداً إلى بيانات من عمليات مسح الكمبيوتر.[24] تتضمن النمذجة الطبية الحصول أولاً على CT، تصوير بالرنين المغناطيسي، أو فحص آخر.[25] تتكون هذه البيانات من سلسلة من الصور المقطعية للتشريح البشري. تظهر الأنسجة المختلفة في هذه الصور بمستويات مختلفة من اللون الرمادي. يتيح تحديد مجموعة من القيم الرمادية عزل أنسجة معينة. ثم يتم تحديد منطقة الاهتمام ويتم تحديد جميع وحدات الپكسل المتصلة بالنقطة المستهدفة ضمن نطاق القيمة الرمادية هذا. هذا يمكن من اختيار عضو معين. يشار إلى هذه العملية باسم التجزئة. يمكن بعد ذلك ترجمة البيانات المجزأة إلى تنسيق مناسب لليثوجرافيا المجسمة.[26]في حين أن اليثوجرافيا المجسمة دقيقة عادةً، فإن دقة النموذج الطبي تعتمد على العديد من العوامل، لا سيما المشغل الذي يقوم بإجراء التجزئة بشكل صحيح. كما أنه ممكن حدوث أخطاء محتملة عند صنع النماذج الطبية باستخدام اليثوجرافيا المجسمة ولكن يمكن تجنبها بالممارسة والمشغلين المدربين جيداً.[27]

تُستخدم النماذج المجسمة كوسيلة مساعدة في التشخيص والتخطيط قبل الجراحة وتصميم وتصنيع الغرسات. قد يشمل ذلك التخطيط والتمرين على قطع العظم، على سبيل المثال. كما يستخدم الجراحون النماذج للمساعدة في التخطيط للعمليات الجراحية[28]لكن أخصائيي الأطراف الاصطناعية والتقنيين يستخدمون النماذج أيضاً كمساعدات في تصميم وتصنيع الغرسات الملائمة حسب الطلب. على سبيل المثال، يمكن استخدام النماذج الطبية التي تم إنشاؤها من خلال اليثوجرافيا المجسمة للمساعدة في بناء صفائح رأب القحف.[29][30]

في عام 2019، نشر العلماء في جامعة رايس مقالاً في مجلة ساينس، قدموا فيه مواد هلام مائي لينة لليثوجرافيا المجسمة المستخدمة في تطبيقات البحوث البيولوجية.[31]

النمذجة الأولية

غالباً ما تُستخدم اليثوجرافيا المجسمة في صناعة الأجزاء النموذجية. للحصول على سعر منخفض نسبياً، يمكن لليثوجرافيا المجسمة إنتاج نماذج أولية دقيقة، حتى من الأشكال غير المنتظمة.[32]يمكن للشركات استخدام هذه النماذج الأولية لتقييم تصميم منتجاتها أو للدعاية للمنتج النهائي.[28]

المميزات والمساوئ

المزايا

إحدى مزايا الليثوجرافيا المجسمة هي سرعتها. يمكن تصنيع الأجزاء الوظيفية في غضون يوم واحد.[10] يعتمد الزمن الذي يستغرقه إنتاج جزء واحد على مدى تعقيد التصميم والحجم. يمكن أن يستمر زمن الطباعة في أي مكان من ساعات إلى أكثر من يوم.[10] والنماذج الأولية والتصميمات المصنوعة من الليثوجرافيا المجسمة قوية بما يكفي للتشكيل الآلي[33][34] ويمكن استخدامها أيضاً لعمل أنماط رئيسية من أجل القولبة بالحقن أو عمليات صب المعادن المختلفة.[33]

المساوئ

على الرغم من أنه يمكن استخدام الليثوجرافيا المجسمة لإنتاج أي تصميم تركيبي تقريباً،[15]إلا أنه غالباً ما يكون مكلفاً، على الرغم من انخفاض السعر. منذ عام 2012،[35]ومع ذلك، فإن الاهتمام العام بالطباعة ثلاثية الأبعاد قد ألهم تصميم العديد من أجهزة SLA للمستهلكين والتي يمكن أن تكلف أقل بكثير. بدءًا من عام 2016، أدى استبدال طرق SLA وDLP باستخدام لوحة LCD عالية الدقة وعالية التباين إلى خفض الأسعار إلى أقل من US$200. يتم إنشاء الطبقات بالكامل حيث يتم عرض الطبقة بأكملها على شاشة LCD ويتم تعريضها باستخدام مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية الموجودة أدناه. كما يمكن تحقيق تصميمات بدقة أقل من 0.01 مم. عيب آخر هو أن الپوليمرات الضوئية لزجة وعشوائية وتحتاج إلى التعامل معها بحذر. يجب غسل الأجزاء المصنوعة حديثاً ومعالجتها وتجفيفها. يتطلب التأثير البيئي لجميع هذه العمليات مزيداً من الدراسة لفهمها، ولكن بشكل عام لم تنتج تقنيات SLA أي أشكال راتنجات قابلة للتحلل أو التسميد، بينما تقدم طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد الأخرى بعض خيارات PLA القابلة للتسميد.

انظر أيضاً


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

المراجع

  1. ^ قالب:Cite ISO standard
  2. ^ أ ب ت U.S. Patent 4,575,330 (“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography”)
  3. ^ "US Patent for Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography Patent (Patent # 4,575,330 issued March 11, 1986) - Justia Patents Search". patents.justia.com. Retrieved 2019-04-24.
  4. ^ أ ب Gibson, Ian, and Jorge Bártolo, Paulo. “History of Stereolithography.” Stereolithography: Materials, Processes, and Applications. (2011): 41-43. Print. 7 October 2015.
  5. ^ أ ب ت ث "The Ultimate Guide to Stereolithography (SLA) 3D Printing". Formlabs. Formlabs, Inc. Retrieved 26 December 2017.
  6. ^ Jean-Claude, Andre. "Disdpositif pour realiser un modele de piece industrielle". National De La Propriete Industrielle.
  7. ^ Moussion, Alexandre (2014). "Interview d'Alain Le Méhauté, l'un des pères de l'impression 3D". Primante 3D.
  8. ^ Mendoza, Hannah Rose (May 15, 2015). "Alain Le Méhauté, The Man Who Submitted Patent For SLA 3D Printing Before Chuck Hull". 3dprint.com. 3DR Holdings, LLC.
  9. ^ "Stereolithography / 3D Printing / Additive Fabrication". Photopolymers. Savla Associates. Archived from the original on 14 February 2008. Retrieved 10 August 2017.
  10. ^ أ ب ت ث Hull, Chuck (2012). "On Stereolithography". Virtual and Physical Prototyping. 7 (3): 177. doi:10.1080/17452759.2012.723409. S2CID 219623097.
  11. ^ "Our Story". 3D Systems. 3D Systems, Inc. 12 January 2017. Retrieved 10 August 2017.
  12. ^ Jacobs, Paul F. “Introduction to Rapid Prototyping and Manufacturing.” Rapid Prototyping and Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography. 1st Ed. (1992): 4-6. Print. 7 October 2015.
  13. ^ B. Asberg, G. Blanco, P. Bose, J. Garcia-Lopez, M. Overmars, G. Toussaint, G. Wilfong and B. Zhu, "Feasibility of design in stereolithography," Algorithmica, Special Issue on Computational Geometry in Manufacturing, Vol. 19, No. 1/2, Sept/Oct, 1997, pp. 61–83.
  14. ^ Crivello, James V., and Elsa Reichmanis. "Photopolymer Materials and Processes for Advanced Technologies." Chemistry of Materials Chem. Mater. 26.1 (2014): 533. Print.
  15. ^ أ ب Lipson, Hod, Francis C. Moon, Jimmy Hai, and Carlo Paventi. "3-D Printing the History of Mechanisms." Journal of Mechanical Design J. Mech. Des. (2004): 1029-033. Print.
  16. ^ Fouassier, J. P. "Photopolymerization Reactions." The Wiley Database of Polymer Properties 3 (2003): 25. Print.
  17. ^ أ ب Ngo, Dong. "Formlabs Form 2 3D Printer review: An excellent 3D printer for a hefty price". CNET. Retrieved 3 August 2016. More specifically, as the print platform lowers itself into the resin glass tank, an ultraviolet laser light, from underneath the see-through tank, shines on it. (For this reason, SLA is sometimes called the laser 3D-printing technology.) Exposed to the laser light, the resin cures, solidifies and sticks to the platform. As more resin is exposed to the laser light, the pattern is created and joins the layer above. As more and more layers are being created, the build platform slowly -- very slowly -- moves upward, finally pulling the entire object out of the tank as the print process is finished.
  18. ^ rsilvers. "On the difference between DLP and LCD based SLA printers | Matter Replicator" (in الإنجليزية الأمريكية). Retrieved 2019-03-17.
  19. ^ "The Ultimate Guide to Stereolithography (SLA) 3D Printing (Updated for 2020)". Formlabs (in الإنجليزية الأمريكية). Retrieved 2020-10-21.
  20. ^ Wu, B.; Sufi, A.; Biswas, R.G.; Hisatsune, A.; Moxley-Paquette, V.; Ning, P.; Soong, R.; Dicks, A.P. & Simpson, A.J. (2019). "Direct Conversion of McDonald's Waste Cooking Oil into a Biodegradable High-Resolution 3D-Printing Resin". ACS Sustainable Chemistry & Engineering. doi:10.1021/acssuschemeng.9b06281.
  21. ^ Shi, Q.; Yu, K.; Kuang, X.; Mu, X.; Dunn, C.K.; Dunn, M.L.; Wang, T. & Qi, H.J. (2017). "Recyclable 3D printing of vitrimer epoxy". Materials Horizons. doi:10.1039/C7MH00043J.
  22. ^ "SLA 3D printing materials compared". 3D Hubs (in الإنجليزية). Retrieved 2020-10-21.
  23. ^ Klimek, L; Klein HM; Schneider W; Mosges R; Schmelzer B; Voy ED (1993). "Stereolithographic modelling for reconstructive head surgery". Acta Oto-Rhino-Laryngologica Belgica. 47 (3): 329–34. PMID 8213143.
  24. ^ Bouyssie, JF; Bouyssie S; Sharrock P; Duran D (1997). "Stereolithographic models derived from x-ray computed tomography. Reproduction accuracy". Surgical & Radiologic Anatomy. 19 (3): 193–9.
  25. ^ Winder, RJ; Bibb, R (2009). "A Review of the Issues Surrounding Three-Dimensional Computed Tomography for Medical Modelling using Rapid Prototyping Techniques". Radiography. 16: 78–83. doi:10.1016/j.radi.2009.10.005.
  26. ^ Bibb, Richard (2006). Medical Modelling: the application of advanced design and development technologies in medicine. Cambridge: Woodhead Publishing Ltd. ISBN 978-1-84569-138-7.
  27. ^ Winder, RJ; Bibb, R (2005). "Medical Rapid Prototyping Technologies: State of the Art and Current Limitations for Application in Oral and Maxillofacial Surgery". Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 63 (7): 1006–15. doi:10.1016/j.joms.2005.03.016. PMID 16003630.
  28. ^ أ ب "Applications of SLA". Stereolithography. Retrieved 7 October 2016.
  29. ^ D'Urso, Paul; Effeney, David; Earwaker, W. John; Barker, Timothy; Redmond, Michael; Thompson, Robert; Tomlinson, Francis (April 2000). "Custom cranioplasty using stereolithography and acrylic". British Journal of Plastic Surgery. 53 (3): 200–204. doi:10.1054/bjps.1999.3268. PMID 10738323.
  30. ^ Klein, H. M.; Schneider, W.; Alzen, G.; Voy, E.D.; Günther, R. W. (October 1992). "Pediatric craniofacial surgery: Comparison of milling and stereolithography for 3D model manufacturing". Pediatric Radiology. 22 (6): 458–460. doi:10.1007/BF02013512. PMID 1437375. S2CID 12820200.
  31. ^ "AAAS".
  32. ^ Palermo, Elizabeth (16 July 2013). "What is Stereolithography?". Live Science. Purch Group. Retrieved 7 October 2016.
  33. ^ أ ب "Sterolithography". Proto3000. Proto3000 Inc. Retrieved 22 June 2018.
  34. ^ "3D Print technologies". Luma 3D Print. LUMA-iD Ltd. Retrieved 22 June 2018.
  35. ^ Prindle, Drew (6 June 2017). "With lasers and hot nylon, Formlabs just took 3D printing to a whole new level". Digital Trends. Designtechnica Corporation. Retrieved 24 September 2018.

المصادر

  • Kalpakjian, Serope, and Steven R. Schmid (2006). Manufacturing Engineering and Technology, 5th edition. Ch. 20. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall. pp. 586–587.

وصلات خارجية

تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=ليثوجرافيا_مجسمة&oldid=2549061"