چاپ سه‌بُعدی هر آنچه را که تصور کنید ممکن می‌شود!

به گزارش هیچ یک : چاپ سه بعدی دیگر یک فناوری متعلق به آینده نیست بلکه فناوری حال حاضر است. این فناوری از صنعت تولید مواد تا مراقبت‌های بهداشتی را تغییر می‌دهد و مرزهای آنچه را که می‌توان به دست آورد، جابه‌جا می‌کند.

بر خلاف چاپ سه بعدی سنتی، که عموما از یک ماده واحد در آنها استفاده می‌شد، چاپ سه بعدی چند ماده‌ای(multi-material ۳D printing) یک روش تولید است که امکان ایجاد اشیاء با استفاده از چندین ماده را در یک فرآیند چاپ سه بعدی واحد فراهم می‌کند. این روش در حال تبدیل شدن به یک نیروی محوری و دگرگون کننده در تعدادی از صنایع است که به طور بالقوه شیوه مهندسی، نوآوری و ایجاد محصولات را بازتعریف می‌کند.

در ادامه به بررسی این فناوری، تطبیق پذیری و پتانسیل نوآوری در آن می‌پردازیم.

رمزی استیونز(Ramsey Stevens)، مدیر عامل شرکت «nano۳Dprint»که یک شرکت پیشرفته متخصص در چاپ سه بعدی چند ماده‌ای است در مورد چگونگی دستیابی به چاپ سه بعدی چند ماده‌ای توضیح داده است.

آشنایی با چاپ سه بعدی چند ماده‌ای

استیونز توضیح می‌دهد: چاپ چند ماده‌ای از زمان آغاز به کار آن در دهه ۱۹۸۰ راه طولانی را پیموده است. پیشرفت در فناوری و تحقیقات نشان می‌دهد که تقریبا هر ماده‌ای را می‌توان از طریق یک چاپگر سه بعدی ساخت.

در گذشته چاپ سه بعدی چند ماده‌ای به چاپ با بیش از یک رشته رنگی اطلاق می‌شد. امروزه به ترکیب پلاستیک‌های سنتی با جوهرها و خمیرهای کاربردی اطلاق می‌شود که دارای خواص پویا یا فعالی مانند رسانایی، مغناطیس، قابلیت‌های سنجش، یا پاسخگویی به محرک‌ها هستند.

این رویکرد تحول آفرین از چندین فناوری اصلی بهره می‌برد:

• فیلامان ذوبی(FFF) که با اکسترود(خروج) مداوم مواد ترموپلاستیک برای ساخت مدل‌های سه بعدی پیچیده عمل می‌کند.

• استریولیتوگرافی(SLA) که از فرآیند انجماد لایه به لایه با مواد فوتوپلیمری استفاده می‌کند.

• متریال جتینگ(Material jetting) یا پرتاب مواد، شبیه به چاپ جوهرافشان، چاپ چند ماده را از طریق رسوب دقیق قطرات و پخت فوری امکانپذیر می‌کند.

• بایندر جتینگ(Binder jetting) از پودرهای ریزدانه ترکیب شده با یک ماده اتصال دهنده برای ساخت اشیاء استفاده می‌کند و گهگاه قابلیت‌های تمام رنگی را ارائه می‌دهد.

هنگام کار با چاپگر سه بعدی چند ماده‌ای، کار با طراحی شی مورد نظر با استفاده از نرم افزار طراحی در رایانه آغاز می‌شود. این برنامه رایانه‌ای هم شکل هندسی و هم نوع مواد را مشخص می‌کند. متعاقبا، مدل سه بعدی به لایه‌های قابل چاپ تبدیل می‌شود.

مزیت قابل توجه این فناوری کاهش قابل توجه نیاز پس از پردازش است. طرح‌های پیچیده و قابلیت‌های یکپارچه‌ای که با چاپ سه بعدی چند ماده‌ای فعال می‌شوند، به کاهش نیاز به کارهای تکمیلی و فرآیندهای رنگ‌آمیزی منجر می‌شوند. این به نوبه خود، فرآیند کلی تولید را ساده می‌کند و کارایی را افزایش می‌دهد.

مزایای این روش جدید نسبت به روش‌های سنتی

چاپ سه بعدی چند ماده‌ای مزایای زیادی نسبت به روش‌های تولید سنتی دارد که یکی از قابل توجه‌ترین آنها، انعطاف پذیری در طراحی است.

برخلاف تولیدات سنتی که اغلب محدودیت‌هایی در ایجاد طرح‌های پیچیده به همراه دارد، چاپ سه بعدی چند ماده‌ای، قلمرو جدیدی از خلاقیت را باز می‌کند.

این به مهندسان و طراحان اجازه می‌دهد تا اشیاء را با اشکال هندسی سفارشی بسازند و مواد مختلف را به طور یکپارچه برای به دست آوردن خواص و قابلیت‌های منحصر به فرد ترکیب کنند. این آزادی در طراحی می‌تواند منجر به نوآوری‌هایی شود که پیش از این دست نیافتنی بوده‌اند.

مزیت دیگر آن مقرون به صرفه بودن است. روش‌های تولید سنتی برای تولیدات کمتر گران‌تر هستند، زیرا هزینه‌های ثابت بین اقلام کمتری توزیع می‌شود.

در مقابل، چاپ سه بعدی چند ماده‌ای صرف نظر از مقدار تولید شده، هزینه تولید ثابتی را ارائه می‌دهد. این باعث می‌شود که از نظر اقتصادی یک انتخاب مقرون به صرفه برای تولید در مقیاس کوچک و بزرگ باشد.

علاوه بر این، چاپ سه بعدی چند ماده‌ای نوآوری را تسریع می‌کند. با قابلیت نمونه‌سازی سریع و ساخت قطعات در صورت تقاضا، روند توسعه را سرعت می‌بخشد و امکان تکرار و اصلاح سریع را فراهم می‌کند. این می‌تواند به طور ویژه در صنایعی که زمان رسیدن آنها به بازار بسیار مهم است سودمند باشد.

علاوه بر این، چاپ سه بعدی چند ماده‌ای از نظر زیست محیطی نیز مناسب‌تر است. انرژی کمتری مصرف می‌کند، مواد خام را به طور موثرتری استفاده می‌کند، استفاده از مواد شیمیایی را کاهش می‌دهد و ضایعات کمتری را در مقایسه با تولید سنتی تولید می‌کند. این رویکرد سازگار با محیط زیست با تمرکز فزاینده بر پایداری در صنایع مختلف هماهنگ است.

استیونز خاطرنشان می‌کند که این مزایا محرک بزرگی در پذیرش چاپ سه بعدی چند ماده‌ای هستند. او همچنین بر راه‌هایی تأکید کرد که این فناوری با ارائه تطبیق پذیری و پتانسیل بی نظیر برای نوآوری، چشم انداز تولید و طراحی را تغییر می‌دهد.

برنامه‌های کاربردی همه کاره

چاپ سه بعدی چند ماده‌ای دارای مجموعه‌ای از کاربردهای قابل توجه است که هر کدام از ظرفیت منحصر به فرد خود برای ادغام یکپارچه مواد مختلف در یک جسم واحد بهره می‌برند.

چاپ سه بعدی در حال حاضر در تولید مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد و پتانسیل سفارشی‌سازی شکل، رنگ، طعم، بافت و حتی ترکیب غذایی وعده‌های غذایی را ارائه می‌دهد. چاپ چند ماده‌ای امکان تهیه موادی مانند کره بادام زمینی، خمیرهای طعم‌دار را در این فرآیند فراهم می‌کند و افق‌های جدیدی را برای تولیدات خلاقانه ارائه می‌دهد.

در زمینه پزشکی، این فناوری نقش مهمی در ساخت پروتزهای سه بعدی دارد. با ترکیب موادی مانند پلی‌اورتان ترموپلاستیک(TPU) نرم و فیبر کربن سخت، راه‌حل‌هایی را برای نیازها و ترجیحات فردی ایجاد می‌کند.

علاوه بر این می‌تواند ایجاد ساختارهای بافت مصنوعی را که بافت انسان را شبیه‌سازی می‌کنند، متحول کند. محققان همچنین در حال بررسی سیستم‌های تحویل دارو با چاپ سه بعدی هستند و ساختارهای زیست سازگار را برای استقرار دقیق دارو بررسی می‌کنند.

استیونز توضیح می‌دهد: چاپ چند ماده‌ای با جوهرهای کاربردی، مراقبت‌های بهداشتی را با ایمپلنت‌های سفارشی، حسگرهای پوشیدنی، تراشه‌های میکروسیال برای تشخیص و سیستم‌های پیشرفته تحویل دارو متحول می‌کند و فرآیند مراقبت از بیمار و به طور کلی عرصه پزشکی را بهبود می‌بخشد.

پتانسیل چاپ سه‌بعدی چند ماده‌ای به دستکاری خواص مکانیکی و الکتریکی یک شی گسترش می‌یابد و امکان نوآوری در همه چیز از استحکام ساختاری گرفته تا زیبایی‌شناسی را فراهم می‌کند.

استیونز تطبیق پذیری این روش را خاطرنشان کرد و گفت: با ترکیب پلاستیک به عنوان عناصر ساختاری با جوهرها و خمیرهای کاربردی، می‌توان دستگاه‌هایی با ترکیب، ساختار و ویژگی‌های محلی ایجاد کرد.

فراتر از این کاربردها، چاپ سه بعدی چند ماده‌ای تحولی برای نمونه‌سازی سریع است که توسعه و آزمایش سریع نمونه‌های اولیه پیچیده را تسهیل می‌کند. در صنایعی مانند طراحی خودرو، فرآیند اعتبارسنجی طراحی را تسریع می‌کند و مراحل پس از پردازش و تعداد قطعات را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

پیشرفت‌ها و تحقیقات مداوم

پیشرفت در چاپ سه بعدی چند ماده‌ای با استفاده از جوهرهای کاربردی پیشتر به توسعه ابرخازن‌ها، سلول‌های خورشیدی و مدارهای انعطاف‌پذیر منتهی شده است. این پیشرفت‌ها را می‌توان به دسته‌ای از مواد به نام مکسین‌ها(MXenes) نسبت داد.

مکسین‌ها دسته‌ای از ترکیبات معدنی دوبعدی هستند که از لایه‌های نازک اتمی کاربیدها، نیتریدها یا کربونیتریدهای فلزات واسطه تشکیل شده‌اند. این مواد برای اولین بار در یک مطالعه در سال ۲۰۱۱ توسط پروفسور یوری گوگوتسی(Yury Gogotsi) و پروفسور میشل دبلیو بارسوم(Prof. Michel W. Barsoum) از دانشگاه درکسل گزارش شد.

استیونز خاطرنشان کرد که تحقیقاتی که در مرکز تحقیقات روی نانوساختارها و نانودستگاه‌های تطبیقی(CRANN) و مرکز تحقیقات مواد پیشرفته و مهندسی زیستی(AMBER)، کالج ترینیتی دوبلین، ایرلند انجام می‌شود، نمونه بارز پتانسیل مکسین‌ها است.

او توضیح داد: چاپ هیدروژل‌های مکسین‌ به ذخیره‌سازی انرژی شبه خازنی بسیار کارآمد برای مثال با ظرفیت‌های فوق‌العاده بالا شده منجر است. این کار نوآورانه نویدبخش  پیشرفت کاربردها در زمینه‌های مختلف، از ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی گرفته تا بیوالکترونیک، محافظت از تداخل الکترومغناطیسی، تصفیه آب و موارد دیگر است.

در ماه فوریه سال ۲۰۲۲، محققان مطالعه‌ای را منتشر کردند که در آن جزئیات توسعه روش چاپ سه‌بعدی با استفاده از جوهرهای دارای عملکرد مکسین‌ را برای ایجاد هیدروژل‌های پلیمری رسانا با رسانایی و ثبات شکل بالا توضیح داده بودند.

در ماه نوامبر همان سال، آنها یک روش چاپ چهار بعدی را برای ساخت هیدروژل‌های مکسین با ساختارهای متخلخل سه بعدی و رسانایی الکتریکی بالا معرفی کردند که به ساخت خازن با ظرفیت فوق العاده بالا و ایجاد میکرو ابرخازن‌های کارآمد با تحمل دمای پایین منجر شد.

چهره آینده تغییر می‌کند

آینده چاپ سه بعدی چند ماده‌ای نامحدود به نظر می‌رسد. استیونز تاکید کرد: فرصت‌های پیش روی این فناوری بسیار زیاد است.

پیشرفت‌های اخیر، مانند روش‌های چاپ سه بعدی برای سنجش فشار بی‌سیم غیرفعال، نوید کاربردهای جدید را می‌دهد. این نوآوری‌ها ساخت حسگرهای فشار آنتن بی‌سیم کم‌هزینه و فشارسنج‌های جدید، تغییر شکل حسگرها، ذخیره‌سازی انرژی و نظارت بر سلامت ساختاری را ممکن می‌سازد.

هنگامی که از استیونز در مورد جدول زمانی دستیابی به قابلیت پرینت سه بعدی تقریبا هر آن چه که تصورش را می‌کنیم، پرسیده شد، او چشم‌انداز خوش بینانه‌ای را ارائه کرد و توضیح داد که تحقیقات و سرمایه گذاری‌های مداوم، ما را به مراحل اولیه ادغام ساختارها و الکترونیک از طریق چاپ چند ماده‌ای سوق می‌دهد و ما را به آستانه چاپ سه بعدی تقریبا هر چیزی که فکرش را می‌کنیم نزدیک می‌کند.

همانطور که چاپ سه بعدی چند ماده‌ای برای چاپ اشکال هندسی پیچیده و اشکال منسجم و جاسازی وسایل الکترونیکی تکامل می‌یابد، ما را به چاپ سه‌بعدی هر چه در ذهن‌مان داریم، نزدیک‌تر می‌کند.