تطبيق طريقة IEW-CRITIC-CoCoSo مبنية على الضبابي T-كروي ذو قيم عهدية لتحسين معلمات عملية مركبات البولي بروبيلين المعاد تدويره المطبوعة ثلاثية الأبعاد

من نفايات الجائحة إلى أجزاء مفيدة

تراكمت مليارات الأقنعة ذات الاستخدام الواحد والنسيجيات الأخرى المعتمدة على البولي بروبيلين كنفايات منذ جائحة كوفيد-19. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن تحويل تلك النفايات إلى أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد قوية وموثوقة، وكيفية ضبط إعدادات الطابعة بحيث تنافس البلاستيك الجديد في الأداء. باستخدام نوع جديد من الرياضيات الذكية لاتخاذ القرار، يوضح المؤلفون كيفية استخلاص أفضل أداء ميكانيكي من البولي بروبيلين معاد تدويره مع تقوية بالألياف الزجاجية، مما يساعد على إغلاق حلقة دورة البلاستيك مع الحفاظ على قابلية الطباعة ثلاثية الأبعاد للاستخدام الهندسي.

لماذا يحتاج البلاستيك المعاد تدويره إلى طباعة ذكية

البولي بروبيلين المعاد تدويره المستخرج من أقمشة الميلتبلون مثل طبقات الأقنعة جذاب لأنه رخيص وخفيف ومنتشر بالفعل. لكن عند استخدامه في طابعات النمذجة بالترسيب المنصهر (FDM) القياسية، يعاني من ضعف الترابط بين الطبقات وتشوهات غير مستقرة. يؤدي إضافة ألياف زجاجية قصيرة إلى تحسين القوة والصلابة، مكونًا مركبًا يسمى GF/RPP. ومع ذلك، لا يزال الجودة النهائية تعتمد بقوة على إعدادات الطابعة: درجة حرارة الفوهة، سمك الطبقة، مدى امتلاء الجزء من الداخل (كثافة التعبئة)، واتجاهات خطوط الطباعة كلها تؤثر بطرق مختلفة على القوة والصلابة والتمدد. العثور على مجموعة واحدة من المعلمات توازن هذه الخواص الثلاثة في آنٍ واحد ليس أمرًا بديهيًا.

تصميم المادة والاختبارات

بدأ الباحثون بتحويل نسيج الميلتبلون المهدرج من البولي بروبيلين إلى حبيبات ومن ثم إلى خيوط محملة بنسبة 30% من الألياف الزجاجية بالوزن. أكدوا أن هذا المركب يذوب ويتدفق جيدًا تحت درجة حرارة التحلل الخاصة به، مما يجعله مناسبًا للطباعة الثلاثية الأبعاد المعتمدة على البثق. باستخدام طابعة FDM تجارية، طبعوا عينات اختبار على شكل قطعة اختبار معيارية تحت تسع مجموعات مختلفة من درجة الحرارة (220، 240، 260 °C)، سمك الطبقة (0.1، 0.2، 0.3 مم)، وكثافة التعبئة (60، 80، 100%)، وكرروا هذه المجموعة عند ثلاث زوايا راستر (0°، 45°، 90°). سُحبت كل عينة في اختبار الشد لقياس مقاومة الشد، والصلابة (معامل الشد)، والاستطالة عند الكسر، لالتقاط مدى قوة، وصلابة، وليونة الأجزاء.

رياضيات جديدة لموازنة أهداف متضاربة

نظرًا لأن بعض الإعدادات التي تزيد القوة قد تقلل الاستطالة، استخدم الفريق إطار عمل لاتخاذ القرار متعدد المعايير (MADM) لوزن ودمج كل النتائج. عملوا في بيئة «ضبابية»، حيث يُعامل كل قياس ليس كقيمة واحدة حادة بل كنطاق مع درجات من اليقين والتردد والشك—ما يعكس التجارب الصاخبة بشكل أفضل. تمكّن عامل الضبابية T-الكرية ذو القيم العهدية من دمج البيانات من زوايا الراستر المختلفة والخواص الميكانيكية مع تقليل تأثير القيم الشاذة. لتقرير أهمية كل خاصية، مزجوا حكم الخبراء مع مقياس موضوعي لمقدار تباين كل خاصية وتضاربها مع الأخرى. أخيرًا، استخدموا إجراء تصنيف يسمى CoCoSo لمنح درجات وترتيب مجموعات المعلمات التسع، مستهدفين أفضل سلوك ميكانيكي متوازن بدلاً من أعلى قيمة منفردة.

كيف تبدو إعدادات الطباعة المثلى

أشارت التحليلات المجمعة بوضوح إلى وصفة فائزة واحدة: درجة حرارة طباعة 240 °C، سمك طبقة 0.3 مم، وكثافة تعبئة 60%. هذه التركيبة، المسماة المخطط M6، قدمت أداءً ميكانيكيًا شاملاً أفضل بحوالي 10.7% مقارنة بالإعدادات الأخرى المختبرة. عند 240 °C يذوب المادي بما يكفي لالتحام جيد بين الطبقات دون احتراق؛ تزيد الطبقات الأسمك مساحة التلامس بين الطبقات وتقلل الفراغات الداخلية؛ وتوفر كثافة التعبئة المتوسطة دعمًا جيدًا دون إحداث إجهاد داخلي مفرط. دعمت المجهرية لعينات مكسورة الأرقام: أظهرت الأجزاء المطبوعة بشكل مثالي طبقات متراصة ومندمجة جيدًا وألياف زجاجية مثبتة جيدًا في البلاستيك، بينما أظهرت الإعدادات الأضعف فجوات، وانسحب الألياف، وفراغات كبيرة تضعف الجزء.

ما الذي يعنيه هذا للطباعة ثلاثية الأبعاد الأكثر خضرة

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أنه بالإعدادات الصحيحة يمكن أن يتحول مادة الأقنعة المعاد تدويرها والمقواة بالألياف الزجاجية إلى مادة خام موثوقة للطباعة ثلاثية الأبعاد للأجزاء الهيكلية. بدلاً من تحسين خاصية واحدة في كل مرة، يساعد إطار القرار الضبابي المؤلف الشركات المصنعة على ضبط الطابعات لمزيج متوازن من القوة والصلابة والمرونة في ظل عدم اليقين. بخلاف هذا المركب المحدد، يمكن أن يرشد نفس الأدوات الرياضية اختيار المعلمات لمواد بلاستيكية معاد تدويرها ومواد متقدمة أخرى، مما يسهل تصميم منتجات مطبوعة ثلاثية الأبعاد أكثر صداقة للبيئة وعالية الأداء.

الاستشهاد: Zhao, S., Du, Y., Hao, Y. et al. Application of an IEW-CRITIC-CoCoSo method based on interval-valued T-spherical fuzzy for optimizing process parameters of 3D printed recycled polypropylene composites. Sci Rep 16, 6971 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37726-1

الكلمات المفتاحية: الطباعة ثلاثية الأبعاد, البولي بروبيلين المعاد تدويره, مركبات الألياف الزجاجية, تحسين العملية, اتخاذ القرار الضبابي