سيراميك معدّ بطابعات ثلاثية الأبعاد

يُعتبر السيراميك من أكثر المواد قوة على الأرض. فيستطيع تحمّل حرارة شديدة الارتفاع أو الانخفاض، حتى إن بعض أنواعه مضادة للاحتكاك، الخدش، وغيرهما من أنماط الإجهاد الميكانيكي التي تلف المعادن والبلاستيك. إنما من الصعب صنع أشكال معقدة من هذه المادة.

لكن علماء كيمياء في مختبرات HRL في ماليبو بكاليفورنيا تمكنوا من حل هذه المشكلة بتطوير سيراميك يمكن إعداده في طابعة ثلاثية الأبعاد. فما كانت النتيجة؟ أشياء بالغة الصلابة من المستحيل إعدادها باستعمال مواد تقليدية.

يُستخدم السيراميك اليوم في رقعات المكابح، تغليف القطع الإلكترونية البالغة الصغر، والبلاط العازل للحرارة (كذاك المستعمل في المركبات الفضائية). لكن العلماء في مختبرات HRL يسعون اليوم إلى توسيع استعمالات هذا السيراميك بشكل كبير. فلو أُعدت قطع محركات الطائرات من السيراميك، مثلاً، تستطيع هذه المحركات العمل بحرارة أعلى، ما يزيد بالتالي فاعليتها.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن للسيراميك أن يحسّن نوعية القطع المستخدمة في العنفات البخارية وغيرها من الآلات التي تُضطر إلى تحمل ظروف شديدة الحرارة وقاسية ميكانيكياً. تملك هذا المختبرَ شركتا بوينغ وجنرال موتورز. كذلك حظي هذا المشروع ببعض التمويل من DARPA، وهي مؤسسة أبحاث وتطوير تابعة لوزارة الدفاع الأميركية.

ابتكار مختبر HRL

يقوم ابتكار مختبر HRL على تطوير مواد راتنجية خاصة يمكن استخدامها كحبر في الطابعة. صحيح أن العلماء أعدّوا هذه المواد من بوليمرات، إلا أنها تحمل في بنية جزيئاتها السيليكون وغيره من العناصر المتوافرة في السيراميك. تُوضع هذه المواد الراتنجية في طابعات ثلاثية الأبعاد بغية إعداد أجزاء لها أشكال معقدة، مثل مفتاح سدادات لولبي أو رقاقات من الزخارف المتداخلة. ومن ثم تُدخَل هذه الأجزاء إلى الفرن بغية التخلص من مكونات البوليمر العضوية فيها بواسطة الحرارة، فلا يتبقى إلا مواد السيراميك.

علاوة على ذلك، قد يكون السيراميك المعدّ بطابعات ثلاثية الأبعاد في بعض أوجهه أفضل من نظيره التقليدي. فقد تحلت إحدى رقاقات الزخارف التي صنعها مختبر HRL بمقاومة للانضغاط تفوق بعشرة مرات ما يتمتع به السيراميك الذي يُباع في الأسواق. كذلك بإمكان هذه الأجزاء المطبوعة تحمل حرارة تصل إلى 1700 درجة مئوية، علماً أن أنواع السيراميك الأخرى تبدأ بالتفكك على حرارة مماثلة.

لكن ما زال هذا الفريق يأمل أن يعزز أكثر قوة السيراميك المطبوع. ومن المقاربات التي قد يعتمدها تصميم أنواع جديدة من “بوليمرات ما قبل السيراميك” تحتوي على ألياف في داخلها تمنع التشققات من الاتساع. فالسيراميك هش ويضعف إن تعرّض لتشقق واحد. ولا شك في أن من السيئ أن يؤدي خلل صغير إلى تحطم قطعة جديدة معدّة بذكاء.