اقتصاد دانش بنیان

پیشرفت هایی در فناوری چاپ سه بعدی

زماني که بشر تصميم بگيرد سطح ماه يا مريخ را به عنوان خانه جديد خود فتح کند و کلوني هاي انساني در خارج از کره زمين تشکيل دهد، يکي از پيش نيازها براي موفقيت در موقعيت جديد استفاده از منابع محدود موجود در آن مکان براي ساختن تمام احتياجات بزرگ و کوچکش است. دکتر رميل شاه، استاديار مهندسي مواد و رئيس تيم آزمايشگاه مهندسي بافت و ساخت افزوده دانشکده مهندسي مک کورميک دانشگاه نورث وسترن، نشان داده اند که امکان توليد ساختارهاي مورد علاقه با کمک خاک و عناصر معدني مريخ و ماه به وسيله فناوري چاپ سه بعدي کاملا امکان پذير است. اين پژوهش جزئي از يک مطالعه گسترده تر است که دکتر شاه و همکارانش اصطلاح فرايند رنگ آميزي سه بعدي را براي توصيف آن به کار مي برند. در طي اين پروسه از جوهر ها و روش هاي جديدي براي چاپ سه بعدي بهره گيري مي شود. تاکنون آن ها به کمک اين روش موفق شده اند استخوان هاي بسيار انعطاف پذير، ريزلوله هاي کربني و گرافيني سه بعدي و همچنين آلياژهاي سه بعدي تهيه کنند. دکتر شاه توضيح مي دهد: «در سطح ساير سياره ها و همچنين اقمار، منابع بسيار محدودي در دسترس هستند، بنابراين زندگي بشر در آن مکان ها وابسته به استفاده از همان چيزهاي محدودي است که در آن جا يافت مي شود. رنگ هاي سه بعدي ابداعي ما را قادر مي سازد تا اشيايي کاربردي يا ساختاري را در اين شرابط محدودکننده چاپ کنيم و حيات را فراي سياره خودمان ادامه دهيم.» نتايج اين پژوهش که با کمک مالي غول ديجيتالي گوگل نهايي شد، در مجله Nature Scientific Reports منتشر شده است. تيم تحقيقاتي از نوعي مواد شبيه سازي شده مشابه ترکيب معدني (با همان ابعاد و شکل) سطح مريخ و ماه که به تاييد سازمان ناسا رسيده، با کمک مجموعه اي از حلال ها و پلمير ساده، رنگ سه بعدي را تهيه و سپس در يک فرايند اکستروژن غيرپيچيده چاپ کردند. نتيجه، تهيه ساختارهايي بود که بيش از 90 درصد وزن آن ها از خاک ماه يا مريخ ساخته شده بودند. با وجود اين که طي اين فرايند از سنگ هاي بسيار ريز براي خلق ساختارها استفاده مي شد، مواد سه بعدي تهيه شده، قابل انعطاف و داراي حالت الاستيکي و همچنين سخت بودند؛ درست مانند لاستيک. اين اولين تجربه تهيه ترکيب لاستيک مانند يا نرم به کمک مواد شبيه سازي شده از خاک و غبار مريخ و ماه به حساب مي آيد. اين ساختار را پس از چاپ سه بعدي مي توان برش زد، پيچاند، خم کرد و به شکل مورد نظر درآورد. با اين راهکار نوآورانه، تيم مطالعاتي توانستند ساختارهاي آجري مانند که در هم چفت مي شوند، شبيه لگو، بسازند که از آن ها براي ساخت و ساز روي سطح ماه يا هر سياره ديگري مي توان بهره برد. قدم بعدي در اين پروژه بررسي امکان پخت اين ساختارهاي سه بعدي در کوره براي تبديل آن ها از حالت لاستيکي به چيزي مشابه سراميک است. از ديدگاه کلي تر فناوري چاپ سه بعدي اين پژوهش پتانسيل هاي فناوري چاپ سه بعدي را براي ساخت تمامي انواع مواد مورد نياز آدمي در خارج از زمين برجسته مي سازد. اگرچه آغاز زندگي بشر و مهاجرتش به ساير کرات شايد اندکي زود به نظر آيد، اما تيم اين مطالعه معتقدند هيچ گاه براي شروع برنامه ريزي زود نيست.

تهيه اشيايي با شکل تغييرپذير

تيمي از محققان در موسسه تکنولوژي جورجيا و همکارانشان در دو موسسه پژوهشي ديگر (دانشگاه طراحي و فناوري سنگاپور و دانشگاه ژيان ژياتونگ چين) روشي جديد براي چاپ سه بعدي ابداع کرده اند که به کمک آن مي توان اشيايي را چاپ کرد که در پاسخ به گرما به بازه اي از اشکال متفاوت تغيير حالت مي دهند. تيم مطالعاتي ترکيبي ساخته اند که از لايه هاي پليمري متفاوت تشکيل شده و هر لايه به گونه اي طراحي شده که به صورت مختلفي به گرما پاسخ مي دهد. دکتر جري کي، استاد دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه جورج وودرف در دانشگاه تکنولوژي جورجيا، مي گويد: «اين فناوري جديد به صورت معناداري پتانسيل چاپ چهاربعدي را ساده سازي مي کند و با تلفيق مرحله برنامه ريزي مکانيکي پسافرايند به صورت مستقيم با چاپ سه بعدي افزايش مي دهد. به اين ترتيب مي توان اجزاي چاپ شده با فناوري چاپ سه بعدي را با وضوح تصوير بسيار بالا با شبيه سازي رايانه اي طراحي و چاپ سه بعدي کرد و سپس با کمک حرارت به شکل مورد نظر فرم داد.» نتايج اين پژوهش در مجله Science Advances به چاپ رسيده است. اين مطالعه براي ساخت اشياء به کمک چاپ سه بعدي از نتايج تحقيق گذشته اين تيم حاصل شده که در آن از پليمرهاي حافظه داراي شکل هوشمند (Smart Shape Memory Polymers) استفاده مي شود که قادرند يک شکل را به خاطر بسپارند و به شکلي ديگر که برنامه ريزي مي شوند، با کمک حرارت تغيير يابند و اشيايي را فرم دهند و همچنين مي توانند در امتداد قسمت هاي لولامانند خم شوند. اين راهکار تا 90 درصد در زمان چاپ و مواد مورد استفاده صرفه جويي مي کند، در حالي که به صورت کامل نياز به برنامه نويسي مکانيکي زمان بر را از فرايند طراحي و ساخت حذف مي کند. براي نشان دادن قابليت هاي اين فرايند جديد، تيم مطالعاتي اشيايي را ساختند که در مواجه با آب گرم مي توانند به سرعت منبسط يا خم شوند؛ از جمله يک گياه مدل مصنوعي که گلبرگ هايش مانند گل ميناي واقعي به تابش خورشيد پاسخ مي دهد و يک شيء شبکه مانند که تا هشت برابر اندازه اصلي منبسط مي شود. دکتر ژنگ دين از محققان اين پروژه توضيح مي دهد: «مواد ابداعي کامپوزيت در دماي اتاق ماده اي دارند که نرم است، اما مي توان آن را برنامه ريزي کرد تا حاوي استرس داخلي گردد، در حالي که بقيه مواد سفت هستند. براي ساخت اين ترکيبات کامپوزيت از شبيه سازي کامپيوتري استفاده مي شود.

مواد سفت اطراف شکل و اندازه اي دارند که از آزاد شدن استرس دروني ماده نرم داخلي پس از چاپ سه بعدي جلوگيري مي کند. پس از حرارت دهي مواد سفت نرم مي شوند و اجازه مي دهند مواد نرم داخلي استرس دروني اش را رها سازد که در شکل نهايي شيء چاپ شده تغييرات چشم گيري رخ مي دهد.» اين اشياء چهار بعدي بازه اي از ويژگي هاي ساخت را ممکن مي سازند، از جمله تهيه موادي که مي توان آن ها را بسته بندي يا تا کرد تا به راحتي حمل و نقل شوند و سپس در مقصد دوباره بزرگ تر و منبسط تر شوند. با اين فناوري اجزايي ساخته مي شوند که مي توانند به محرک هايي مانند نور، رطوبت و دما به گونه اي زمان بندي شده با دقت بسيار زياد پاسخ دهند و به اين ترتيب مي توان ساختارهاي فضايي، تجهيزات پزشکي قابل کاربرد، روبات ها، اسباب بازي و بازه اي از ساير ساختارها را تهيه کرد. دکتر مارتين دان، استاد دانشگاه طراحي و تکنولوژي سنگاپور، مي گويد: «پيشرفت کليدي اين تحقيق، نوعي روش چاپ چهاربعدي است که به صورت بسيار معناداري ساخت و توليد محصولات قابل برنامه ريزي سه بعدي با فناوري بالا را آسان مي سازد. اين فناوري براي ساخت قطعات الکترونيکي سه بعدي، ابزرهاي پزشکي و مصرفي بسيار اميدبخش ظاهر شده است.»