التقادم بالأشعة فوق البنفسجية لمواد الطباعة ثلاثية الأبعاد

من بين مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الأربع المُقارَنة هنا، يُعدّ ASA المادة الوحيدة المصمَّمة للتعرّض الدائم للأشعة فوق البنفسجية والعوامل الجوية في الهواء الطلق؛ في حين أن PLA و PETG القياسي غير مناسبَين لذلك. وفي ظل التشعيع القصير الأمد بالأشعة فوق البنفسجية من النوع C، ينعكس ترتيب هاتين المادتين الأخيرتين: فبعد 24 ساعة عند 254 nm، يفقد PETG نسبة 38 % من قوة الشد الخاصة به، بينما يفقد PLA فقط 9 % [1]. لذا فإن خاصيتَي "مقاوِم لضوء الشمس" و"مقاوِم للأشعة فوق البنفسجية من النوع C" ليستا خاصيتَين قابلتَين للتبادل.

تتغيّر الأجزاء البلاستيكية المطبوعة ثلاثية الأبعاد المستخدَمة في الهواء الطلق أو تحت التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية مع مرور الوقت: فقد تبهت ألوانها، أو تصبح هشّة، أو تفقد قوتها. والسبب في ذلك هو الأشعة فوق البنفسجية (UV) عالية الطاقة، التي يمكن أن تكسر الروابط الكيميائية في البوليمر - وهي عملية تُعرَف بالتقادم الضوئي التأكسدي. ويُميَّز عموماً بين ثلاثة نطاقات:

• الأشعة فوق البنفسجية من النوع A (من 315 إلى 400 nm): الحصة الأكبر من ضوء الشمس فوق البنفسجي، وهي المسؤولة عن التقادم البطيء على مدى أشهر وسنوات.
• الأشعة فوق البنفسجية من النوع B (من 280 إلى 315 nm): الحصة الأكثر طاقة من ضوء الشمس، والتي تُسرِّع التقادم أكثر.
• الأشعة فوق البنفسجية من النوع C (من 200 إلى 280 nm): بالكاد تصل إلى سطح الأرض بشكل طبيعي، لكنها تُستخدَم عن قصد في أجهزة التطهير لأنها تُعطِّل الكائنات الحية الدقيقة بفعالية خاصة - وللسبب نفسه يمكن أن تهاجم البلاستيك بقوة خاصة [8].

ولكن ما مدى ثبات مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة - PLA و TPU و PETG و ASA - في مواجهة ضوء الشمس فوق البنفسجي والأشعة فوق البنفسجية من النوع C؟ يلخّص العرض التالي ما يمكن دعمه ببيانات مقاسة وأين لا تزال الأدلة ضعيفة.

يتم تناول النطاقات الطيفية نفسها بالتفصيل في ما هي الأشعة فوق البنفسجية؟، وآليات التقادم في المواد في التقادم بالأشعة فوق البنفسجية، وثبات اللون، والثبات الضوئي. أما تقنية القياس لعملية الطباعة والتصليد اللاحق فيتم تناولها في قياس الأشعة فوق البنفسجية للتصنيع الإضافي والطباعة ثلاثية الأبعاد.

تصف الدراسات المُستشهد بها الضرر الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية من خلال ثلاث كمّيات ميكانيكية. تخبرنا كل واحدة منها بشيء مختلف:

• مقاومة الشد: القوة لكل وحدة مساحة التي يتحملها الجزء قبل أن يتمزق. يعني انخفاض مقاومة الشد بعد التعرّض للأشعة فوق البنفسجية أن المادة أصبحت أضعف.
• الاستطالة عند الكسر: إلى أي مدى يمكن شدّ المادة قبل أن تنكسر. يشير انخفاض الاستطالة عند الكسر إلى أن المادة أصبحت أكثر هشاشة.
• التقصّف: يفقد البوليمر مرونته وينكسر بسهولة أكبر – وغالبًا ما يكون علامة مبكرة مرئية على الضرر الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية.

من بين المواد الأربع التي جرت مقارنتها، يُعدّ ASA الأنسب للتعرّض الدائم للأشعة فوق البنفسجية وعوامل التجوية؛ بينما لا يصلح PLA وPETG القياسي لذلك. وتتعارض إحدى النتائج المحورية مع التوقع المعتاد: فتحت التشعيع الخاضع للتحكم بالأشعة فوق البنفسجية UV-C على مدى 24 ساعة، يفقد PETG قوة أكبر بكثير (−38 %) مقارنة بـ PLA (−9 %) [1]. ويُظهر ذلك أن كون المادة "جيدة تحت أشعة الشمس" لا يعني تلقائياً أنها "جيدة تحت الأشعة فوق البنفسجية UV-C" - فنوعا الإشعاع يؤثران بشكل مختلف على البوليمر نفسه.

يعرض الجدول التالي السلوك تحت التجوية الطبيعية جنبًا إلى جنب مع السلوك تحت تشعيع الأشعة فوق البنفسجية-C. تأتي قيم الأشعة فوق البنفسجية-C الخاصة بـ PLA و PETG من نفس سلسلة الاختبارات، وبالتالي فهي قابلة للمقارنة بشكل مباشر؛ أما بالنسبة لـ TPU و ASA، فلا توجد قياسات بمنهجية مماثلة.

يُعدّ PLA المادة المبتدئة في الطباعة ثلاثية الأبعاد: غير مكلفة وسهلة الطباعة، لكنها حساسة للحرارة والأشعة فوق البنفسجية.

• غير مستقرة عمومًا تحت الأشعة فوق البنفسجية: تصبح هشّة ويتغيّر لونها مع الاستخدام الخارجي المطوّل [2].
• تحت الأشعة فوق البنفسجية C (24 h، 10 W/m²، 254 nm): لا تغيّرات مرئية، انخفاض مقاومة الشد بنسبة −9.1% (من 29.54 إلى 26.86 MPa)، انخفاض مقاومة الانضغاط بنسبة −13.1%، معامل يونغ يبقى شبه ثابت (−1.9%، غير ذي دلالة إحصائية) [1].
• الخلاصة: التعرّض القصير الأمد للأشعة فوق البنفسجية C يُحتمَل نسبيًا من الناحية الميكانيكية، أما التعرية الخارجية الدائمة فلا يُحتمَل.

TPU مادة مرنة تشبه المطاط يمكن ثنيها وتمديدها – لاستخدامها في الحشيات أو المقابض على سبيل المثال.

• لا تتمتع مادة TPU القياسية بالثبات تجاه الأشعة فوق البنفسجية [3].
• مع إضافات مضادة للأشعة فوق البنفسجية – مواد مالئة مثل ثاني أكسيد التيتانيوم أو أكسيد الزنك تمتصّ الأشعة فوق البنفسجية – تتحسّن مقاومة الأشعة فوق البنفسجية والاحتفاظ بقوة الشد ونسبة الاستطالة عند الكسر بعد التقادم بالأشعة فوق البنفسجية بشكل ملحوظ؛ ولا يقدّم المصدر أرقاماً محدّدة لذلك [3].
• لا تتوفر بيانات موثوقة خاصة بالأشعة فوق البنفسجية من نوع UV-C.

يتميّز PETG بأنه أكثر متانة ومقاومة للصدمات من PLA، ولذلك يُستخدم غالباً في الأجزاء الوظيفية.

• مقاومة أفضل للعوامل الجوية مقارنةً بـ PLA، لكنه غير مصمَّم للتعرّض الدائم للأشعة فوق البنفسجية؛ إذ يمكن أن يصبح مطاطياً وليّناً تحت أشعة الشمس المستمرة [4].
• تحت الأشعة فوق البنفسجية C (بظروف مطابقة لـ PLA): تلف أكبر بكثير من PLA – انخفاض مقاومة الشد بنسبة −38.1% (من 31.30 إلى 19.48 MPa)، وانخفاض مقاومة الانضغاط بنسبة −33.9%، وانخفاض الاستطالة عند الكسر من 3.06% إلى 1.36% (هشاشة شديدة)، مع اصفرار ملحوظ وفقدان اللمعان [1].
• توجد أنواع من PETG مثبَّتة خصيصاً ضد الأشعة فوق البنفسجية للاستخدامات الخارجية (بحد أقصى لدرجة حرارة الخدمة المستمرة 70 °C)، إلا أنها لا تماثل PETG القياسي المستخدَم في الطباعة ثلاثية الأبعاد [5].

تم تطوير ASA خصيصاً للاستخدام في الهواء الطلق، ويُعتبر أكثر مواد الطباعة المقارنة هنا مقاومةً للعوامل الجوية.

• مصمَّم خصيصاً لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية والعوامل الجوية: يتم استبدال المكوّن المطاطي الحساس للأشعة فوق البنفسجية في ABS باستر أكريليك أكثر ثباتاً تجاه الأشعة فوق البنفسجية [2].
• يحتفظ بنحو 85 % من مقاومته للشد بعد 2,000 ساعة من التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية في الاختبار المعملي وفقاً للمواصفة ASTM G154 [6].
• اختبار خارجي لمدة 122 يوماً: لا فقدان يُذكر في الخصائص تحت التعرّض الشديد للأشعة فوق البنفسجية [7].
• لا تتوفر قياسات كمّية خاصة بالأشعة فوق البنفسجية من النوع C. إن إفادة معملية بشأن 100 h من التشعيع المباشر بالأشعة فوق البنفسجية من النوع C دون تغيّر ملحوظ أمر معقول نظراً للمتانة العامة تجاه الأشعة فوق البنفسجية، لكنها غير قابلة للمقارنة منهجياً مع دراسة PLA/PETG.

قيم UV-C الخاصة بمادتي PLA و PETG مأخوذة من سلسلة اختبارات نُشرت في مجلة Polymers عام 2021 [1]. تم تشعيع العيّنات المطبوعة لمدة 24 h عند 254 nm وبشدة إشعاع ساقط قدرها 10 W/m²، مع درجة حرارة للوحة الخلفية بلغت 50 °C؛ ثم بُرِّدت العيّنات لمدة أربع ساعات في درجة حرارة الغرفة قبل إجراء اختبارات الشد والانضغاط. وتذكر الورقة العلمية حجرة التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية BS-02 من Opsytec Dr. Gröbel باعتبارها جهاز التشعيع المستخدم.

هناك نقطتان تحددان ما إذا كان يمكن نقل مثل هذه القيم إلى تطبيقكم الخاص. أولاً، تشير هذه القيم إلى شدة الإشعاع الساقط المقاسة عند موضع العيّنة والجرعة الإشعاعية الناتجة عنها، وليس إلى إعداد للجهاز – فبدون القياس، لا تكون حالات التعريض للإشعاع قابلة للمقارنة. ثانياً، تنطبق هذه القيم على عيّنات ذات سماكة طبقة واتجاه ونسبة حشو محددة؛ إذ إن سماكة الجدار ونسبة الحشو والتصبيغ اللوني تغيّر النتيجة بشكل كبير. لذلك، فإن من يحتاج إلى إثبات مقاومة جزء معين للأشعة فوق البنفسجية يختبره في إعداد خاص به: حجرات التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية توفّر الظروف الحدّية القابلة للتكرار، بينما توفّر المعايير والإرشادات ذات الصلة الإطار اللازم لظروف الاختبار.

• الاستخدام الدائم في الأماكن الخارجية مع تعرّض مرتفع للأشعة فوق البنفسجية: يُفضَّل استخدام ASA.
• دورات تطهير قصيرة أو متكرّرة بالأشعة فوق البنفسجية UV-C في حدود ساعات: في الدراسة المقارنة الوحيدة المتوفرة، يُظهر PLA خسائر ميكانيكية أقل من PETG القياسي.
• ASA تحت UV-C: لا تزال بيانات ذات منهجية مماثلة لـ PLA وPETG غير متوفرة هنا. بالنسبة للأجزاء ذات الصلة بالسلامة، يُنصح باختبارها ذاتياً، على سبيل المثال في حجرة تشعيع بالأشعة فوق البنفسجية UV-C.
• TPU: يُستخدم في التطبيقات الخارجية وتطبيقات الأشعة فوق البنفسجية فقط مع مواد مضافة مثبِّتة للأشعة فوق البنفسجية.

الأجزاء التي لا تُطبَع بل تُلصَق أو تُغلَّف تخضع لشروطها الحدّية الخاصة؛ وتُغطّى هذه الشروط بواسطة مواد لاصقة وطلاءات ومركّبات تغليف مُصلَّدة بالأشعة فوق البنفسجية.

1. Amza CG, Zapciu A, Baciu F, Vasile MI, Popescu D: تقادم البوليمرات المطبوعة ثلاثية الأبعاد تحت تأثير أشعة UV-C المعقِّمة. Polymers 13(24):4467, 2021.
2. Spectrum Filaments: شرح ASA 275 – الخيط المناسب للاستخدام الخارجي.
3. Wang A, Guo J, Shao C, Chen C: مركّبات البولي يوريثين الحراري المرن المقاومة للأشعة فوق البنفسجية لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالترسيب المصهور (FDM). 3D Printing and Additive Manufacturing, 2024.
4. Makelab: PETG مقابل ASA.
5. Noltewerk: ورقة بيانات PETG UV الفنية (PDF).
6. Forge Labs: خصائص مادة ASA.
7. Habr: اختبار مقارن للأشعة فوق البنفسجية على مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد لمدة 122 يومًا.
8. Teska P (NIST): الأضرار التي تلحق بأسطح البوليمرات الشائعة في الرعاية الصحية نتيجة التعرض لأشعة UV-C (PDF).

حالة التحرير: 3 سبتمبر 2026.

لا يمكن الإجابة عن مدى صمود الجزء المطبوع أمام التعرّض للأشعة فوق البنفسجية في مكان استخدامه إلا من خلال اختبار بتشعيع محدَّد وجرعة مقاسة. نحن نوفّر تقنية القياس اللازمة لذلك: حجرات التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية مثل BS-02 لإجراء اختبارات تقادم قابلة للتكرار في المختبر، ومقياس الإشعاع الطيفي UVpad ومقياس الإشعاع RMD Pro لقياس الطيف وشدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية عند الجزء نفسه. أرسلوا لنا استفساركم.