السلف المقدمة في المبادرين بإضافة مواد مشبعة بالضوء في مطبوعات ثلاثية الأبعاد

وتكمن عملية البوليميرات الخفيفة في صميم بعض أكثر تكنولوجيات التصنيع المضافة دقة وسرعة المتاحة اليوم، ومن فحص الترسيبات الفوقية الرقمية، والتجهيزات الرقمية للضوء إلى إنتاج الوصلات السائلية المستمر، وتعدد الفولطين، ومن القدرة على معالجة الارتدادات السائلة إلى هياكل صلبة ذات استبانة عالية، ومن خلال عمليات الطبع الموجية المستهدفة للضوء، مما أدى إلى تحويل إنتاج البصمات الضوئية إلى سرعة.

أساسيات الإضافة المشتقة

وتعدد البوليمرات الخفيفة، المشار إليه أيضاً باسم التلويث الضوئي، عملية تحول فيها الاحتكارات أو الألومترات إلى شبكة صلبة من البوليمرات عند التعرض لضوء موجة محددة، وتبدأ عملية الضبط من خلال آلية للثبات السلاسل التي بدأت بواسطة الأنواع المتفاعلة - أي الراديكاليات أو السياجات الحرة التي يقوم بها محرر محرر محرر للتصوير الضوئي.

ويمنح التحلل الضوئي للإيثر الثنائي الفينيل المائي، وإن كان أقل اعتماداً على نطاق واسع، مزايا لراتنجات التكسين والإثيرات الفينيلية، بما في ذلك انخفاض التثبيط الأوكسجيني وانخفاض الانكماش، وفي هذا النظام، يعتمد المبادرة الضوئية - التي هي مادة ديرياليودونيوم أو ثلاثي فلوريل السلفونيوم - على حمض قوي على التحلل الضوئي، مما يسبّد التركيب في التركيب التطرف في الحساسية.

وتتوقف كفاءة التحلل الضوئي على عوامل عديدة: طيف الاستيعاب ومعامل الانقراض الطفيفيف للمستحضر، والعائد الكمي لتوليد الأنواع الرجعية، وتركيز المبادرة الضوئية في الراتنج، وشدة الضوء، وطول الموجات، وتفاعل النظام الأحادي، بل إن التحسينات الصغيرة في أداء المبادرة الضوئية يمكن أن تترجم إلى مكاسب كبيرة في سرعة الطباعة، والتسوية، والاختتامى.

دور المبادرين في الطباعة الحديثة

إن المبادرات الضوئية أكثر بكثير من مجرد محفزات للرد، ففي نظم الطباعة المتقدمة التي تبلغ 3D، يجب أن تلبي مجموعة من المتطلبات التي تتطلبها، ويجب أن تستوعب الضوء بكفاءة عند موجة محددة من مصدر الطباعة الخفيف - أي أن المصدر هو مصباح للأشعة فوق البنفسجية (365-405 نانوغرام)، أو تركيبة زرقاء غير ملوثة (405-470 نانوغرام)، أو معرض للأشعة غير المكتملة تقريبا (7001).

وقد خدم المبدعون التقليديون مثل البنزوفينون، و2 من السم 2 - 2 - فينيلاسيتوفون، و2 فينيلاسيتوفون، و2 فينياليون، الصناعة جيداً منذ عقود، ولكنهم يعانون من قيود تشمل نوافذ ضيقة للاستيعاب، وقلة غلات الكمية، وشواغل السمية، وقد أدى الضغط نحو طباعات أسرع، وخصائص أفضل، ومواد أكثر أمناً إلى إجراء بحوث مصممة في الجيلة.

آخر التطورات في تكنولوجيا المبادرين

مبادرات التصوير المميتة

وقد ظهرت مجمعات من الفلزات العضوية، ولا سيما تلك التي تقوم على اليريديوم والروتينيوم والبلاتينيوم والبالاديوم، كفئة قوية من المبدعين بالصور الملتقطة للمجانين والمتفجرات من المواد ذات الصلصة العالية، وهي مركبات توفر مطيافاً عالي التخدير من خلال تصميم الألوان، مما يتيح فعالية في التركيزات ذات الموجات التي تتراوح بين التصويري المنخفض والثدي والجيل الثالث.

كما تم التحقيق على نطاق واسع في مجمعات البوليبيريديل، حيث تخضع هذه المركبات لنقل الكتروني مسبب للصور إلى إنتاج تطرف أو إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية عندما تستخدم مع المبادرين الآخرين مثل الأمينات الثالثة، ويمكن تحويل استيعابها إلى النطاق المرئي بتعديل هيكل الأنهار، مع أن هذه المنتجات ذات القيمة العالية من حيث التكلفة والمعادن الحرارية لا تزال غير صالحة.

وقد استكشفت البحوث الأخيرة استخدام المعادن الأرضية غير المتجانسة مثل الحديد والنحاس والزنك للحد من الآثار البيئية والتكلفة، وقد أظهرت مجمعات الحديد (الثالثا) التي تحتوي على أكاذيب الفينولات، على سبيل المثال، نشاطاً واعداً في مجال التوليد الضوئي تحت ضوء مرئي، مما يفتح الباب أمام مبدئيات أكثر استدامة قائمة على المعادن، وفي حين أن أداء هذه المركبات لا يضاهي أداء نظم إيريديوم أو الارتينيوم.

المبادرون الأساسيون: تحسين الأداء والسلامة

ويواصل المبدعون التصويريون الأساسيون السيطرة على سوق الطباعة التجارية 3D بسبب انخفاض تكلفتها، وقابلية تفاعلها الممتازة، وإمكانية تحقيق التوافق البيولوجي، حيث تستخدم أكاسيد أسيلفوسفين، مثل ثنائي الفينيل (2، 6، إيثان ثنائي الفينيل) وأكسيد الفوسفين المرئي (TPO) وثاني أكسيد ثنائي (4،6، بروميد الميثيل)

أما المشتقات بينزوفينون، التي تستخدم في كثير من الأحيان في شكل أمنان من الدرجة الثالثة كشركات في المبادرة، فتتيح بديلاً أقل تكلفة، ولكنها تعاني من بطء سرعة العلاج ومن زيادة إعاقة الأكسجين، وقد أدت التعديلات الأخيرة على أساس البنزوفون، مثل إدخال مجموعات التبرّع بالكهرباء أو إدماج أدوات التثيثونية - إلى تحسين خصائصها التنافسية وزيادة فعاليتها.

ويمثل المبادرون من النوع الأول والنوع الثاني الصفين الميكانيكيين الرئيسيين، حيث يخضع المبادرون التصويريون من النوع الأول لتنظيف السندات غير المطبعية لتوليد الراديكاليات مباشرة، في حين أن المحركات الضوئية من النوع الثاني تتطلب مبادراً (من الناحية الأمين) لإنتاج متطرفين عن طريق مضمار الهيدروجين أو التحويل الإلكتروني، وكثيراً ما تكون نظم النوع الثاني أقل تكلفة ويمكن تكييفها لتكوين موجة أكثر.

ومن التطورات البارزة التي حدثت مؤخرا تصميم المبادرات الضوئية ذات التجويف الواسع النطاق الذي يستوعب في المناطق التي ترتفع فيها موجات الأمواج، بما في ذلك المناطق المرئية القريبة من الحمراء، حيث تتيح هذه المحركات الطباعة بأعماق علاجية أعمق، وتحسين التغلغل عن طريق رات مجهزة بالزراعة أو مليئ، وعلى سبيل المثال، أظهرت المحركات التي تستخدم في إنتاج الأشعة تحت سطح البحر، ما يقرب من 500 صمام.

ناجمة عن المبادرات المروحية المحسنة الجسيمات

وتمثل دمج الجسيمات النانوية في نظم المبادرات الضوئية مجالاً متنامياً سريعاً من مجالات البحث، إذ يمكن أن تستوعب المواد النانوية من قبيل أكسيد الزنك (ZnO) وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) وأكسيد العسير (CeO2) أو الضوء الظاهري وتولد أزواجاً للكولونات الكهربائية تباشر عملية البوليمر.

وقد تم استكشاف الجسيمات الذهبية والفضة كمعززات للتقنية الضوئية، وعندما تكون متحمسة في موجة البلازمون السطحية المحلية، فإن هذه الجسيمات النانوية تولد مجالات كهرومغناطيسية قوية يمكن أن تضخ من الصبغة البلاستيكية المجاورية للتشهير باللوائح الضوئية، مما يزيد من معدل الجيل المتطرف، وهذا التأثير يتيح سرعة التأقلم في الصبغة الضوئية.

وتوفر المواد النانوية التحللية حلاً بارزاً للغاية للتصوير شبه المزود بالأشعة تحت الحمراء، وتستوعب هذه الجسيمات النانوية الضوء المنخفض الطاقة القريب من الأشعة تحت الحمراء، وتصدر أشعة فوق البنفسجية أو الضوء المرئي الذي يمكن أن ينشط بعد ذلك محركاً تقليدياً، ويتيح هذا النهج زيادة التغلغل في النسيج ويمك الطباعة من مصادر قريبة من الأشعة.

Photoinitiator Blends and Synergistic Systems

وفي كثير من التركيبات التجارية، يستخدم مزيج من مبادرين أو أكثر من الصور الفوتوغرافية لتحقيق نافذة واسعة للاستيعاب ولتحسين المعالجة على مختلف الطبقات، كما أن النهج المشترك يقترن بجهاز من النوع الأول للتمريض السطحي مع نظام من النوع الثاني لمعالجة الأعماق، وموازنة الاختراق السطحي مع عمق التغلغل، ويمكن أن تؤدي الآثار التآزرية بين مختلف مبدئي التصوير الضوئي إلى ارتفاع مستوى التكليل.

وقد استطلعت الدراسات الأخيرة نظماً بديلة تجمع بين جهاز استشعار الصور، وشريك في المبادرة، وإضافة إلى عملية البدء من حيث الضبط، فعلى سبيل المثال، يمكن لنظام ملح الفهرجين/الألم/اليدونيوم أن يشرع في التعددية المتطرفة والملاحية في آن واحد، مما يتيح تكوين شبكات البوليمر عبر الإنترنت مع تحسين الخصائص الميكانيكية، وتحتاج هذه النظم إلى استخدامات جانبية متأنية.

الأثر على تكنولوجيات الطباعة 3D

السرعة المطبوعة السريعة من خلال تحسين الكفاءة في بدء التشغيل

أكثر الفوائد إلحاحاً للمبادرات المتقدمة للتصوير هي زيادة سرعة الطباعة، في نظامي الـ دي إل بي و سي بي بي أي وقت معالجة كل طبقة تناسب بشكل مباشر مع الوقت اللازم لتوليد تركيز كاف من الجذريين للوصول إلى نقطة الجيل، المُبادرين الذين لديهم غلة كمية أعلى، والترجمة الأفضل إلى طيف انبعاثات المصدر الخفيف يمكن أن تقلل من وقت التعرض لكل طبقة من عدة ثواني إلى جزء من المطبوعات

ويعتمد استمرار إنتاج الواجهة السائلة على منطقة ميتة غنية بالأكسجين في قاع زهرة الراتنج حيث يُمنع البوليميرة من أجل السماح باستمرار رفع مستوى منصة البناء، ويتوقف نجاح برنامج مكافحة الاتجار بالبشر على تحقيق توازن دقيق بين معدلات الجيل المتطرف ونشر الأكسجين، كما أن المبادرات المزودة بحساسية منخفضة من الأكسجين والارتقاء السريع بالكمائن هي عوامل أساسية.

أعلى قرار وأدلة للخصوبة

إن القرار في الطباعة ذات القاعدة الخفيفة 3D يحكمه حجم الفوكسل (الملف) الذي يعالج استجابة لتعرّض واحد، ويقرر الحل الأفقي بواسطة النظام البصري والمصدر الخفيف، في حين أن القرار الرأسي (أو الاستبانة) يعتمد على عمق العلاج، الذي يؤثر على معامل امتصاص النسيج الضوئي وضبة الأنواع الرجعية من خلال

ويستفيد البوليمر من الفئتين من الامتصاص غير الخطي من أجل تحقيق الحد الأقصى من التكتل المغناطيسي، مما ينتج سمات صغيرة تصل إلى 100 نم. وفي 2 بيزو، حقق نبض الليزر الثاني ارتفاعا في التدفق الضوئي اللازم لاستيعاب ثنائي الفوتونين، وهو ما يضخ بمساحة الكثافة.

المقارنات بين المواد والثبات الوظيفي

وقد وسعت المبادرات الضوئية المتقدمة نطاق شح المواد التي يمكن معالجتها بالطباعة الخفيفة 3D، إذ أن الاختراقات غير المرنة والغير الطبيعية، التي تعالج ببطء تقليديا وتعاني من إعاقة الأكسجين، يمكن الآن طبعها بسرعة باستخدام مبدئيات تولد تطرفا في موجات مرئية.

كما أن راتنجات الرش المجهزة بالأشعة والمزودة بالمعادن، المستخدمة في النسيج غير المباشر للأجزاء من الأسمنت والمعادن، تمثل تحدياً خاصاً لأن الجسيمات المملوءة تبعث الضوء وتخفض عمق التغلغل وتبط العلاج، وتتجاوز المحركات ذات الصبغة المحتوية على امتصاص قوي في المنطقة القريبة من الاشعة، مثل تلك التي تنشط بواسطة صور متحركة بواسطة أجهزة التصوير بالأشعة فوق الصوت أو التخفاضلية باستخدام

تطبيقات الصناعة والطب

الأجهزة الطبية وهندسة Tissue

ويعتبر القطاع الطبي واحدا من أكثر التطبيقات المطلوبة للطباعة 3D، مما يتطلب مواد قابلة للتعديل من الناحية البيولوجية، ويمكن إعادة إنتاج قياسات هندسية معقدة ذات دقة عالية، ويقوم المخترعون بدور حاسم في تحديد ما إذا كان الراتنج ملائما للاستخدام الطبي.

وقد أسفرت التطورات الأخيرة عن مبدئيات للتصوير الضوئي ذات مواصفات ممتازة للقابلية للتنافس البيولوجي، فعلى سبيل المثال، تبين أن بعض أكاسيد النسيل والفوسفينينين المشتقات التي تستخدمها الخلايا غير السمية، وإنتاج الحد الأدنى من الاستجابة الإلتهابية عند إدراجها في الميثان المطبوع.

وقد مكّن التحسّن نحو biocompatible photoinitiator systems] من اختلاق الزرع الخاص بالمريض، وتشييدات تسليم المخدرات، وملفات هندسة الأنسجة التي يمكن زرعها مباشرة دون وجود مخلفات سامة، وبالنسبة لتطبيقات مثل تجديد العظام، فإن الحد الأدنى من المحركات التي يمكن أن تُنشَّط بواسطة الضوء القريب من الاشتعال.

الصناعة الفضائية الجوية والتجهيزات الآلية

وفي صناعات الفضاء الجوي والسيارات، يتيح الطباعة بواسطة ثلاثية الأبعاد وضع علامات سريعة على الجيولوجيا المعقدة، والعناصر الهيكلية للوزن الخفيف، والتأليف العرفي، وبوليمرات الأداء العالية المستخدمة في هذه التطبيقات مثل الأناوجات التي تستخدمها أجهزة الاثير متعدد البيوت، والأكسدة العالية التمرين، والسلائف السيرامية - المجهزة بأجهزة التصوير المتين التي يمكن أن تتلاءم.

ويجب أن يظل المبادرون إلى تطبيقات عالية التمرين مستقرين أثناء عملية الطباعة، ويجب ألا يقطعوا أو يلتطخوا أثناء فترة ما بعد التدفئة أو التقطع، وأن يكون المبادرون بالصور المحتوية على المعادن، مع استقرارهم الحراري الشديد واستيعابهم القوي في النطاق المرئي، مناسبين لهذه التركيبات.

السلع الاستهلاكية والتصنيع العرفي

وقد تزايدت سرعة سوق المستهلكين للطباعة 3D، بسبب توافر الطابعات المكتبية بأسعار معقولة، وطبعات نظام إدارة الأراضي والتجهيزات الرقمية، حيث تستخدم هذه الطابعات عادة مصادر الضوء فوق البنفسجية أو زرقاء للأجهزة التلقيحية، وتعتمد على المبادرات الضوئية التي تكون آمنة للاستخدام في المنازل، وقد كان تطوير المبادرات الضوئية المنخفضة السمية أمرا أساسيا لجعل تركيبات البرمجية 3D مقبولة في التجهيزات العضوية الثابتة.

إن صنع المجوهرات وأجهزة تكييف الأسنان، والمعونة السمعية، والبروستيات يعتمد على القدرة على طباعة أجزاء عالية الاستبانة ودقيقة مع نهاية سطحية سلسة، والمبادرات الضوئية التي تتيح المعالجة السريعة مع انخفاض الانكماش والحد الأدنى من الارتداد، هي أمور حاسمة لتحقيق الدقة المطلوبة في هذه التطبيقات، ويتجه نحو استخدام الأنسجة الضوئية ذات الموجة الطويلة والتي يمكن أن تنشط بواسطة النسيجات الخضراء الضئيلة.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

الشواغل البيئية والمتعلقة بالتسمم

وعلى الرغم من التقدم المحرز، لا تزال هناك تحديات كبيرة، إذ أن العديد من المبادرات الضوئية مستمدة من المواد الوسيطة القائمة على النفط وتولد منتجات ثانوية أثناء البوليمر يمكن أن تكون سامة أو ثابتة بيئيا، وقد أدى الضغط نحو الكيمياء المستدامة والخضراء إلى إثارة الاهتمام بالمبادرات الضوئية القائمة على أساس بيولوجي والتي تستمد من موارد قابلة للتجديد مثل الليغنين، والكوركسين، والريبفين.

إجراء بحوث في مبدئيات قابلة للاستدامة للطباعة 3D ] نشطة، حيث تجري دراسات تستكشف تعديل الكروموف الطبيعي لتحسين أدائهم الكيميائي الضوئي، فعلى سبيل المثال، أظهرت المشتقات التراكمية ذات الخصائص الموسَّعة للتلوث في النطاق المرئي وتحسين كفاءة الاستيعاب.

أطول نشاط في الوافلنغ

ومن أكثر مجالات البحث نشاطاً تطوير المبادرات الضوئية التي يمكن تنشيطها من خلال الأطول الموجية، ولا سيما في منطقة شبه الحمراء )٧٠٠-٠٠٠ ١ نونم( وتخترق أجهزة التصوير الضوئي التابعة للأجهزة النووية في الأعماق إلى أجهزة الرش وتمر عبر أجهزة لملء النسيج البيولوجي، وتتسبب في أضرار أقل في النسيج البيولوجي مقارنة بالنهج الأشعة فوق البنفسجية أو النور الأزرق.

ويمكن أن تتيح القدرة على الطباعة مع ضوء NIR معالجة القطع السميكة، في البوليمرات الفيفوية للتطبيقات الطبية، وتصنيع قطع غيار مركبة أو مليئه بملء كبير، واستخدامات واعدة ]]، وتحول جسيمات نانوبات من طراز NIR إلى مركبة مرئية أو انبعاثات مرئية ، ثم تنشطة مطبعة تقليدية.

الإنتاج والتقسيمات

وفي حين أن أداء المبادرين المتطورين للصور لا يزال يتحسن، فإن التكلفة لا تزال تشكل عائقا أمام الاعتماد الواسع النطاق، ولا سيما بالنسبة للنظم المحسنة القائمة على المعادن والنانوبية، ويتطلب توليف مجمعات الإيريديوم والروتينيوم عوامل إعادة ترجيح باهظة التكلفة، مما يجعلها غير عملية بالنسبة للتطبيقات الاستهلاكية العالية الحجم، كما أن البحث في البدائل غير المتجانسة للأرض والطرق الاصطناعية.

وبالمثل، فإن إنتاج جسيمات النانوبات الفوقية ذات الحجم الموحد والكفاءة العالية في مجال الإدمان يتطلب مراقبة دقيقة لظروف التفاعل، وكثيرا ما تنطوي على سلائف خطرة، وقد أدت التطورات الأخيرة في تركيب التدفق المستمر ومفاعلات الفلوريك إلى تحسين قابلية إنتاج المواد النانوية وإعادة إنتاجها، مما أدى إلى خفض التكاليف والتمكين من التسويق.

الطباعة الدورية والمتعددة الوسائط

ومن شأن المبادرات الضوئية التي يمكن أن تنشط بصورة انتقائية من خلال مختلف المسارات الموجية أن تتيح الطباعة المتعددة المواد مع الخواص الكيميائية والميكانيكية الخاضعة للمراقبة المكانية، مثلاً، تركيبة تحتوي على مبدئيين - واحد حساسة للضوء فوق البنفسج، وجهاز حساس للضوء الأزرق - يمكن أن يعالج طبقات ذات خصائص ميكانيكية مختلفة بمجرد تغيير اللون المغناطيسي للتعرض.

ومن شأن تطوير المبادرين الضوئيين الذين يستجيبون للثدييات المتحركة مثل الضوء ودرجات الحرارة، أو الضوء والبيدروجيني أن يزيد من توسيع الحيز المخصص للتصميم بالنسبة للمواد المطبوعة، وأن يتطلب ذلك مراقبة دقيقة لأجهزة التكهن بالتفاعلات وقابلية النشاط المتبادل، ولكن يمكن أن يتيح التحكم غير المسبوق في عملية الطباعة وفي الخصائص النهائية للجزء.

خاتمة

وقد شهد العقد الماضي تقدما ملحوظا في كيمياء المبدعين الضوئيين في التكاثر الخفيف في الطباعة بثلاثة دفاتر، ومن المجمعات القائمة على المعادن التي تحتوي على عينات امتصاصية غير قابلة للتسوية إلى مركبات عضوية مع تعزيز التوافق البيولوجي ونظم المواد النانوية التي تتيح التشغيل شبه بالأشعة تحت الحمراء، والأدوات المتاحة لمواد الرش ومصنّعي الطباعة لم تكن أبدا أكثر قوة.

ومستقبل هذا المجال يكمن في استمرار الابتكار حول الاستدامة، والتفعيل الأطول أجلا، وخفض التكاليف، وبما أن الكيمياء المُبادرة بالصور قد نضوج، فإننا نتوقع أن نرى رياحاً تتعاطى في ثوان بدلاً من دقائق، وأجزاء ذات حل دوني، ومكونات آلية متنافسة، ومواد آمنة بما فيه الكفاية للزرع المباشر في الجسم البشري، والتآزر بين الكيمياء الضوئية، والمواد العلمية، والقدرات الآخذة في الظهور.

وبالنسبة للمهندسين والباحثين والمصنعين العاملين في تقاطع الكيمياء والطباعة 3D، فإن إبقاءهم على علم بالتطورات الأخيرة في تكنولوجيا المبادرة الضوئية أمر أساسي لاستخلاص كامل إمكانات هذا المجال السريع التطور، وستشكل الاستثمارات التي يجري القيام بها في بحوث المبادرة الضوئية اليوم قدرات وقيود التصنيع الإضافي لعقود قادمة.