مقدمة: وعد الطباعة الرابعة بالهندسة الصناعية

ويوسع الطباعة الرباعية الأبعاد الصناعات المضافة التقليدية بإضافة مواد تستجيب للبطن الخارجي، أو الرطوبة، أو الضوء، أو الحقول المغناطيسية، أو القطع المطبوعة لتغيير شكل الصناعة، أو التشدد، أو حتى تجميعها الذاتي مع مرور الوقت، وفي حين أن الطباعة بواسطة ثلاثية الأبعاد قد تحولت بالفعل إلى إنتاجية ذاتية الحجم المنخفض، فإن الطباعة بحجم 4 دال تُحدث بُعداً دينامياً يمكن أن يُثبِّت صناعاتا.

التحديات التقنية في مجال الطباعة 4D

التعقيد المادي والاعتماد

وتكمن أسس الطباعة من نوع 4D في البوليمرات الذكية - الشباك - البوليمرات، والهيدروجيلات، والذرات الكريستالية السائلة، والخطوط التجميلية الشكلية - التي تخضع للتحولات المبرمجة عند بدء التشغيل، وتطوير هذه المواد للاستخدام الصناعي بعيد عن ثلاثية، ومعظم المواد الذكية المتاحة حالياً هي مواد مصممة للاختبار على نطاق صغير، وتفتقر إلى قوة الهندسة الميكانيكية، أو مقاومة الإجهاد، أو

وعلاوة على ذلك، يجب أن يُصمم بدقة حركية الاستجابة، وفي بيئة صناعية، يجب أن يتغير صمام أو مشعل مطبعة من 4D في شكل أطر زمنية يمكن التنبؤ بها في ظل ظروف خاضعة للرقابة، كما أن التباين في تركيبة البقعة المادية، والرطوبة المحيطة، أو درجة الحرارة، يمكن أن يؤدي إلى عدم الاتساق في السلوك، ويستكشف الباحثون بنشاط الطباعة المتعددة المواد والنهج المركبة - من خلال عوامل الطبع المعززة أو من خلال زيادة الموثوقية.

الحد من الإنتاج

وتتم تكييف نظم الطباعة الحالية للأربعة دال إلى حد كبير من أجهزة الطباعة المتقدمة ذات ال ٣ دال التي أعيد تجهيزها برؤوس مطبوعة متخصصة أو وحدات معالجة بالأشعة فوق البنفسجية، وتتم الاستفادة من هذه التجهيزات في البحوث ذات الحجم المنخفض، وليس في مجال التصنيع العالي، وكثيرا ما تتطلب سرعة الطباعة على نطاق واسع، مثل الأشعة المقطعية أو نماذج الترسبات المثبتة للمواد الذكية، ترتيباً أبطأ من الدق المعتاد.

وثمة اختناق آخر هو حجم البناء، إذ أن معظم المظاهرات التي تطبع ٤ دال تشمل مقابر صغيرة - ذكورية، تغلق عندما تسخن أو صناديق ذاتية تحت بضع سنتيمترات، وتضع المكونات الصناعية، مثل مغازلة الأجنحة التكييفية أو الخنادق القابلة للانتشار، وتطالب بحجم طباعة أكبر، والقدرة على الحفاظ على سلوك محدد في شكل حافز - الاستجابة في مناطق كبيرة.

التكتل في التصميم والتبسيط

ويستلزم تصميم جزء من مادة من نوع 4D وضع نماذج متكاملة للمقاييس الجغرافية، وتوزيع المواد، والاستجابة للحوافز، ولا تدعم الأدوات التقليدية للأجهزة التقليدية للأجهزة المعنية بالتصنيف السلوكي المعتمد على الزمن أو التقارب بين الفيزياء المتعددة، ولا يجوز للمهندسين الاعتماد على تحليلات محددة المدة المتخصصة أو برامج محاكاة مصممة خصيصا لا تزال غير ناضجة أو سهلة الاستعمال.

التحديات الاقتصادية واللوجستية

ارتفاع تكاليف المواد والمعدات

فالبوليمرات والمسافات المتقدمة المستخدمة في الطباعة ٤ دال باهظة الثمن لتجميعها وتتطلب في كثير من الأحيان مناولة وتخزين دقيقين، فعلى سبيل المثال، قد تكلف أكثر من خمسين مرة واحدة في كل كيلوغرام من الكيلوغرامات الهندسية القياسية مثل البوليستر أو النيل، وتزيد طباعة الحركة الصناعية ٤ دال التي تستخدم غرفاً مسخ َّرة، وتزيد فيها القدرات على إنتاج المواد المتعددة، وغير واضحة.

ويمكن أن تقلل وفورات الحجم الأسعار، ولكن السوق الحالية للطباعة 4D صغيرة جداً بحيث تؤدي إلى تخفيضات كبيرة في التكاليف، ومن المرجح أن يظل الاعتماد الصناعي في متناول اليد على المدى القريب، أمراً متردداً، ولكن من المرجح أن يظل الاعتماد الصناعي غير متردد نظراً إلى أن الطلب لا يزال ضعيفاً، وقد يساعد التمويل الحكومي والشراكات بين القطاعين العام والخاص على سد هذه الفجوة، ولكن دون وجود مزايا واضحة في التكاليف على التكنولوجيات القائمة.

إدماج تدفقات العمل القائمة في التصنيع

فالخطوط المصنعة تتجه إلى أقصى حد من حيث القدرة على التكرار والسرعة ومراقبة الجودة، إذ إن إدخال عناصر ذات طباعة 4D يعني إعادة التفكير في تسلسلات التجميع، وبروتوكولات التفتيش، وسلاسل الإمداد، مثلاً، لا يمكن اختبار درجة الحرارة ذاتية الصبغة التي تتسع عند التدفئة في حالتها النهائية المنشطة إلى أن يتم بعد التركيب - تحد لضمان الجودة التقليدية، كما أن السوقيات تتطلب مراقبة دقيقة للمناخ:

وعلاوة على ذلك، فإن معظم الهياكل ذات الطابع الجامح تحتاج إلى تجهيزات بعد التجهيز لإزالة مواد الدعم أو لتفعيل التغيير (مثلاً، التخدير الحراري أو التعرض للأشعة فوق البنفسجية)، مما يضيف خطوات لم تكن موجودة في التصنيع التقليدي، ولكي تلائم التشغيل الآلي للمصانع، يجب تصميم وتثبيت محطات كاملة للتنشيط والتفتيش، كما أن عدم وجود وصلات بينية موحدة بين الطابعات ذات الـ4 دال ونظم إدارة الإنتاج القائمة يزيد من تعقيد التكامل.

Scaling Production Speed and Volume

فبعد سرعة الطباعة الخام، يتطلب التوسع في الحجم الكبير التوازي - سواء من خلال وحدات متعددة للطباعة أو نظم أكبر حجماً، وتكلفة تكاثر الطابعات ذات التكلفة العالية التي تبلغ 4D تجعل النهج الأول باهظاً بالنسبة للعديد من التطبيقات، ويطرح النهج الثاني (الحجم الوحيد للطابعات) تحديات في الحفاظ على خصائص المواد الموحدة وظروف التحفيز عبر منطقة كبيرة للبناء، بالإضافة إلى الوقت اللازم لبرمجة الاستجابة لجزء من الحرارة (مثل هذا الشكل).

وبالنسبة للإنتاج الجماعي، من المرجح أن يكون من الضروري الجمع بين الطباعة من نوع 4D والأساليب التقليدية - مثل طباعة المواد الذكية على المصانع الفرعية التي تصنع تقليديا - ولكن هذه العمليات الهجينة تتطلب هندسة وصلية دقيقة، حيث يجري طبع المواد وتفعيلها في آن واحد، ولكن لا تزال جارية، وإلى أن تضاهي معدلات الإنتاج معدلات الحرق بالصوت (تأثيرات الدوارة 30 ثانية)، فإن الطباعة من نوع 4 دال ستقتصر على مواد دني.

الاعتبارات التنظيمية والمتعلقة بالسلامة

وضع أطر المعايير والتصديق

هندسة صناعية تعمل تحت معايير صارمة (إسو، آس تي، إس إي، إس إي، وما إلى ذلك) للممتلكات المادية والأداء والسلامة، بالنسبة للطباعة 4D، أساليب الاختبار الحالية لا تنطبق، كيف تُثبت أنّه سيفتح بشكل موثوق بعد سنوات من التخزين؟ لا يوجد اختبار موحد لـ "الدهن المُشكلي" أو لإستقرار طويل الأجل لأجهزة التصنيع المُضافة

فبدون ممرات التصديق، لا يمكن للصناعات المسببة للمخاطر مثل الفضاء الجوي والأجهزة الطبية أن تبرر استخدام أجزاء من نوع 4D في أدوار حرجة للسلامة، مما يخلق مشكلة في الدجاج والزجاج: فالاعتماد الواسع النطاق سيعجل بالتوحيد، ولكن الافتقار إلى المعايير يحول دون التبني، ويقتصر اعتمادها على تطبيقات غير حرجة مثل بروتوكولات التجميل أو الأدوات التعليمية التي لا تنطوي على مخاطر تذكر.

الاختبار ومراقبة الجودة عبر المنشط المتعدد

ضمان الجودة في الصف الصناعي يتطلب اختباراً ليس فقط الشكل النهائي المنشط بل أيضاً الدول الوسيطة والظروف المسببة للإصابة، مثلاً، إنقسام الأنابيب الذي يطبع بحجم 4D والذي يتقلص عندما يكون هذا التسخين قابلاً للفحص الدقيق في كل درجة حرارة على امتداد نطاقها الانتقالي، وهذا يضاعف تعقيد التفتيش مقارنة بالأجزاء الثابتة، وقد تكشف أساليب الاختبار غير المدمرة مثل التصوير بالأشعة السينية أو المسح الفوق الصوتي عن عيوبات الداخلية

وثمة شاغل آخر هو التغير البيئي، إذ قد يكون هناك جزء مصمم للاستجابة عند درجة حرارة ٦٠ درجة مئوية مختلفة عندما تكون الرطوبة العليمة مرتفعة أو بعد التعرض للضوء فوق البنفسج أثناء التخزين، ويجب أن يحسب المصنعون هذه العوامل بحواف تصميم قوية واختبارات تسارعية تتسارع في العمر تستخدمها في العالم الحقيقي، وأن تكون هذه الاختبارات كثيفة الموارد وتتطلب في كثير من الأحيان معدات جديدة، وإلى أن تظل الثقة في مجال العناصر ذات النوعية العالية الجودة.

السلامة المادية والتأثير البيئي

وقد تحتوي المواد الذكية على مركبات كيميائية (مثل المبادرين بالصور أو البلاستيك أو الموصلات) لا توصف بعد بشكل كامل للآثار البيئية أو الصحية البشرية الطويلة الأجل، كما أن التخلص من الأجزاء ذات الطباع 4 دال وإعادة تدويرها قد يطرح تحديات: فجزء من التغييرات التي تحدث على مدى عمرها قد لا يعاد تدويرها باستخدام أساليب تقليدية لأن خصائصها تغيرت بصورة غير مسؤولة.

وسيحتاج المصنعون إلى الاستثمار في تقييمات دورة الحياة ووضع بدائل أكثر مراعاة للبيئة، فعلى سبيل المثال، يجري التحقيق في البوليمرات المكوِّنة من الخلايا أو الليغنين القائمة على أساس بيولوجي، ولكن أداؤها الميكانيكي يتخلف حالياً عن النظراء الاصطناعيين، وسيكون تحقيق التوازن بين الأداء والتكاليف والاستدامة عاملاً حاسماً في رفع درجة الطباعة 4D بصورة مسؤولة.

المستقبل المستقبل المستقبل

السلف في المواد الذكية والطباعة المتعددة الوسائط

وعلى الرغم من التحديات الراهنة، فإن البحوث تتسارع، إذ يجري الإبلاغ بانتظام عن البوليمرات الجديدة التي تشكل شكلاً، والتي تنطوي على ضغط أكبر على التعافي، وتواتر أسرع للاستجابة، كما أن الهايدروغل التي تستجيب للهيدروجيني أو الانزيمات تتيح إمكانية الحصول على معلومات عن الاستشعار البيولوجي الطبي والبيئي، وأن الطابعات المتعددة المواد القادرة على إيداع المواد السالبة والنشاط في بنات واحدة ستمكن من إيجاد وسائل أكثر تعقيداً ومتكاملاً، مثلاً، يمكن أن تجمع بين خطوات سريعة الارتين.

A 2021 study in Nature] demonstrated a method for printing shape-memory polymers with sub-milmeter resolution and rapid activation using a modified digital light processing (DLP) system. Such breakthroughs hint at a future where 4D printing can be scaled for industrial through industrial capabilities.

التوائم الرقمية والتصميمات المحاكاة - الـدريفن

(د) يمكن أن يؤدي دمج التكنولوجيا الرقمية المزدوجة إلى إحداث ثورة في تصميم الطباعة 4D ومراقبة الجودة، ومن خلال وضع نموذج افتراضي يحفز كامل الطباعة والتفعيل وعمر جزء من المشروع، يمكن للمهندسين التنبؤ بالفشل، والتوزيع الأمثل للمواد، والحد من الحاجة إلى الاختبار المادي.() ويجري أيضاً استخدام أوجه التقدم في التعلم الآلات لاكتشاف تركيبات المواد الجديدة ومعايير الطباعة التي تؤدي إلى السلوك المرغوب فيه.

جيم - الطيارات الصناعية وجهود التوحيد القياسي

ويقوم عدد من المعتمدين المبكرين بنشر 4D الطباعة في المناطق الجاهزة ولكن ذات الأثر المرتفع، وفي الفضاء الجوي، قامت شركة Boeing and Airbus باختبار مواد نموذجية من أجل استخدام هوائيات وأجنحة للتشغيل الذاتي، وفي الأجهزة الطبية، تقوم الشركات بتطوير مواد ذات طابع 4D تتسع في درجة حرارة الجسم وأجهزة إنتاجية ذات طابع قابل للتعديل.

كما قامت وكالات حكومية مثل وزارة الطاقة بالولايات المتحدة والمفوضية الأوروبية بتمويل اتحادات البحوث التي تركز على توسيع نطاق التصنيع الذكي، بما في ذلك الطباعة بأربعة أجهزة، وكثيرا ما تتطلب هذه البرامج التعاون بين الجامعات والمختبرات الوطنية والشركاء في الصناعة، مما أدى إلى التعجيل بنضج كل من التكنولوجيا والأطر التنظيمية.

الجدول الزمني للتبني الصناعي

ونظرا لتسارع وتيرة التقدم الحالي، فمن المرجح أن يحدث اعتماد صناعي واسع النطاق للطباعة 4D على مراحل، وفي غضون السنوات الخمس القادمة، يمكننا أن نتوقع استخداما محدودا في التطبيقات غير الحرجة والعالية القيمة: فالنواقل الطبية العرفية، والهياكل القابلة للانتشار للنشر للسواتل، والعناصر التكييفية في السيارات أو البيئات المتشددة، وقد تتحول المواد المطبوعة على مدى السنوات العشر المقبلة، مع تحسن المواد، وتقويتها، وترسيبها، وربما تكون طباعة ذات النطاق 4 دال، إلى أجزاء تقليدية منتشرد.

خاتمة

إن تصاعد الطباعة من أجل الهندسة الصناعية يتطلب حل التحديات المترابطة في المواد، وسرعة التصنيع، وأدوات التصميم، والتكلفة، والتنظيم، ولا يوجد أي من هذه الحواجز غير قابلة للاستمرار، ولكن تتطلب جهدا منسقا في مجالات البحث والصناعات، وأجهزة الوعود، والقابلة للتكيف، وأجهزة التكييف الذاتي التي تقلل من استهلاك الطاقة وتسمح بوظائف جديدة هائلة، ومع التقدم في علوم المواد، ونضج تكنولوجيا الطباعة، وشكل الأطر التنظيمية