فصلی نو برای چاپگرهای سه بعدی و مواد بازیافتی

متن زیر که از طریق جستجو در میان صدها مطلب جدید که به صورت روزانه در سطح جهانی منتشر می گردد، انتخاب شده است. دلیل انتخاب مطلب هم اینست که موادی که در متن مطلب مورد اشاره قرار خواهند گرفت (تا جایی که مطلع هستیم) در ایران فقط توسط “شرکت دستاورد مهندسی کیمیا بنیان کیا” – KBK” تولید و فرموله می شود. مطلب یاد شده توسط “جاشوا شاویت – Joshua Shavit ”  نوشته شده و برای اولین بار در ژورنال “روی روشن تر اخبار – Brighter Side of News ” منتشر پردیده است. این مطلب خبرهای روزآمد شده ی فناوری چاپ سه بعدی را در بر می گیرد. برای آگاهی بیشتر خوانندگان، فارغ از اصل مطلب، ینک های اضافی و تصاویر تخصصی به این متن اضافه شده که لینک های افزوده شده از سوی همکاران بخش خبر KBK با حروف BOLD نشان داده خواهند شد.

***************************************

طبیعت اغلب نبوغ خارق‌العاده‌ای را در طراحی مواد نشان می‌دهد، تا جایی که می تواند ساختار، کاربرد مواد و عملکردهای آن را دیکته کند. به عنوان مثال می توان به سختی گل، سفتی بامبو، و رنگ های متنوع و روشن در بال های پروانه اشاره کرد. این ویژگی ها از ساختارهای هرمی و خودساخته ناشی می شوند.

با این حال، مواد مصنوعی و به ویژه مواد نرم، به ندرت به این سطح از پیچیدگی ساختاری دست می یابند پیشرفت‌های اخیر در چاپ سه‌بعدی، به‌ویژه چاپ با روش جوهر افشانی مستقیم (تصویر  سمت چپ) با دمای کار بالا (HOT-DIW)، اکنون آماده تغییر این چشم‌انداز است.

محققان دانشگاه پرینستون یک تکنیک چاپ سه بعدی مقیاس پذیر برای تولید پلاستیک های نرم با قابلیت تنظیم ویژگی ها از مواد بازیافتی توسعه داده اند. این نوآوری که جزییات و تشریح موارد کاربردی آن در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است، از الاستومرهای ترموپلاستیک (TPEs)، برای ساخت مواد با خواص مکانیکی قابل برنامه ریزی استفاده می کند. این مواد دسته ای از پلیمرهای نانوساختار هستند که بر خلاف ایران، در کشورهای اروپایی، آمریکا و چین، به صورتی گسترده در دسترس هستند. {جهت آشنایی با تولیدات داخلی این مواد، “اینجا” را کلیک کنید}

امیلی دیویدسون، استادیار مهندسی شیمی و بیولوژیکی، توضیح داده است که: «ما می‌توانیم موادی بسازیم که ویژگی‌های آن در جهات مختلف می توانند متفاوت باشند.» این پیشرفت مهندسین را قادر می‌سازد تا تجهیزاتی را چاپ کنند که به صورت متناوب می توانند در یک جهت کشیده شده و از نرمی برخوردار باشند و در عین حال در جهتی دیگر از استحکامی متفاوت برخوردار گردند. این رویکرد دارای پتانسیل هایی دگرگون کننده است که برای کاربردهایی مثل رباتیک نرم، دستگاه های پزشکی و تجهیزات ورزشی با کارایی بالا، بسیار مفید و مدرن هستند.

راز این نوآوری در معماری مولکولی انحصاری انواع مواد TPE نهفته است. این کوپلیمرهای بلوکی با ساختارهای استوانه ای سفت، در یک زمینه (متریکس)  پلیمری انعطاف پذیر تعبیه شده اند. این سیلندرهای فقط 5 تا 7 نانومتری به هنگام فرایند چاپ، جهت گیری شده و ماده ای را ایجاد می کنند که از یک سو محکم و در سوی دیگر نرم هستند. این کنترل جهت مهندسان را قادر می سازد تا محصولاتی را با ویژگی های مکانیکی خاص در ناطق مورد نظر  طراحی کنند. محققان از تکنیک  HOT-DIW برای القای تراز نانوساختارهای TPE در زمان فرآیند چاپ استفاده کرده اند. این تکنیک از جریان های برشی و کششی کنترل شده برای تراز کردن نانوسیلندرهای سفت در امتداد مسیرهای چاپ قابل برنامه ریزی استفاده می کند. با انتخاب دقیق پارامترهای چاپ، تیم تحقیق توانست به ناهمسوگردی ساختاری و مکانیکی بالایی دست یابد، که معادل تا 85 برابر تفاوت در مدول کششی بین کوپلیمرهای همسو و ناهمسو است.

اجرای فرایند عملیات حرارتی گرمایش / سرمایش (انیلینگ – annealing)، برای افزایش عملکرد مواد، اقدامی ضروری است. آلیس فرگرسون، دانشجوی کارشناسی ارشد و نویسنده اصلی این مطالعه، بر اهمیت این اقدام تاکید کرده است، زیرا این عملیات، هم خواص پس از چاپ را به شدت بهبود می بخشد و هم باعث می شود اشیایی را که چاپ می کنیم بارها قابل استفاده مجدد باشند و حتا اگر مورد آسیب دیده یا یا شکسته شوند، از خود ترمیمی به شکل اولیه بازگردند.

با بازپخت (انیلینگ) ساختارهای چاپی، محققان نظم و همسویی نانوساختارها را بهبود بخشیده و بر خواص مکانیکی آن افزودند. علاوه بر این، فرایند بازپخت، قابلیت های خود ترمیمی را فعال می کند که در آن اجزای آسیب دیده می توانند بدون از دست دادن عملکرد تعمیر شوند. در آزمایشات، یک نمونه برش خورده از پلاستیک چاپ شده از طریق بازپخت مجدد به هم متصل شد و عملکرد غیرقابل تشخیص از ماده اصلی را نشان داد.

یکی از ویژگی های بارز این تکنیک مقرون به صرفه بودن آن است. الاستومرهای کریستال مایع سنتی (LCEs)، که خواص مکانیکی قابل تنظیم را نیز ارائه می دهند، تقریباً گران هستند و هر گرم آنها 2.5 دلار قیمت دارد و در عین حال به فرایندهاب چند مرحله ای پیچیده نیاز دارند. حال آنکه در نقطه مقابل، TPE ها حدود 0.01 دلار در هر گرم قیمت دارند و می توانند با چاپگرهای سه بعدی تجاری فرایند شوند.

تیم دیویدسون نشان داد که فرآیند آنها برای کاربردهای صنعتی مقیاس‌پذیر است و راه‌حلی کم‌هزینه برای تولید مواد نرم با قابلیت ساختارسازی ارائه می‌دهد. بازیافت ذاتی TPE ها جذابیت آنها را بیشتر می کند. برخلاف الاستومرهای شیمیایی با پیوند متقابل، TPE ها را می توان از طریق ذوب بدون تخریب، دوباره فرایند کرد و آنها را به انتخابی سازگار با محیط زیست برای تولید در مقیاس بزرگ تبدیل کرد.

توانایی این تیم برای ترکیب مواد افزودنی کاربردی با مواد TPE بدون به خطر انداختن خواص مکانیکی آنها، یکی دیگر از پیشرفت های مهم است. به عنوان مثال، آنها یک مولکول آلی را ادغام کردند که باعث می شود پلاستیک در زیر نور فرابنفش قرمز شود. این ویژگی می‌تواند کاربردهای مواد را در حوزه‌هایی مانند پوشیدنی‌ها و حسگرها گسترش دهد.
این رویکرد نوآورانه برای پرینت سه بعدی مواد نرم در زمینه های مختلف نویدبخش است. رباتیک نرم می تواند از موادی بهره مند شود که انعطاف پذیری را با استحکام ترکیب می کند و طراحی های سازگارتر و بادوام تر را ممکن می سازد، تا حدی که می توان دستگاه‌های پزشکی و پروتزها را برای رفع نیازهای فردی بیمار طراحی کرد، در حالی که وسایل ورزشی مانند کلاه ایمنی و کفی کفش هم می‌توانند عملکردی بی‌سابقه‌ داشته باشند.

دیویدسون خاطرنشان کرد: الاستومری که ما استفاده می کنیم نانوساختارهایی را تشکیل می دهد که قادر به کنترل ویژگی های آنها در جهت های گوناگون هستیم. این قابلت کنترل، راه را برای طراحی های بسیار تخصصی باز می کند. به عنوان مثال، تیم  پژوهشی توانست با چاپ ایجاد ساختارهایی پیچیده مانند یک گلدان پلاستیکی کوچک و حک کردن متن چاپ شده “Princeton” کارایی بالای این روش را – حتا برای اجسامی با چرخش های تیز نشان دهد . این مثال ها دقت و سازگاری این تکنیک را نشان می دهند.

با توجه به طولانی بودن مطلب، خوانندگان این مطلب را که نسبت به مطالعه ی دقیق تر و بقیه متن هستند، دعوت می کنیم که یا مراجعه به “این پیوند” آن را به زبان انگلیسی مطالعه نمایند.