دانشمندان چینی دستاورد جدیدی در حل چالش‌های صنعتی فناوری چاپ سه‌بعدی به دست آورده‌اند

با پیشرفت سریع علم و فناوری در عصر حاضر، فناوری چاپ سه‌بعدی مانند باد شرقی قوی در تمامی عرصه‌های صنعتی گسترش یافته است. از قطعات مکانیکی پیچیده و دقیق گرفته تا ماکت‌های واقع‌گرایانه محصولات، از نمونه‌های معماری خیالی تا لوازم شخصی سفارشی، فناوری چاپ سه‌بعدی با خلاقیت بی‌پایان و انعطاف کافی، تخیل را به واقعیت تبدیل کرده است؛ راحتی بیشتری را در زندگی انسان‌ها فراهم کرده و همچنین باعث شگفتی‌های بسیاری می‌شود.

اصل کار فناوری چاپ سه‌بعدی

فناوری چاپ سه‌بعدی که به آن فناوری ساخت افزودنی نیز گفته می‌شود، یک روش تولید نوآورانه است که موجودیت‌های سه‌بعدی را با لایه‌لایه کردن مواد بر روی یکدیگر ایجاد می‌کند. اصل کار آن شبیه به ساخت یک خانه آجری است و به‌صورت ساده می‌توان آن را به این صورت خلاصه کرد: "ساخت لایه‌ای، انباشت لایه به لایه".

فرآیند چاپ سه‌بعدی پیچیده نیست. ابتدا یک مدل دیجیتال با استفاده از نرم‌افزارهای طراحی به کمک کامپیوتر ایجاد یا به دست می‌آید و سپس این مدل به سری‌ای از لایه‌های برشی بسیار نازک تقسیم می‌شود و ضخامت هر لایه معمولاً بین چند ده میکرون تا چند صد میکرون است. سپس، با استفاده از اطلاعات این برش‌ها، چاپگر سه‌بعدی با به کارگیری فناوری و مواد خاصی، شیء نهایی را لایه به لایه می‌سازد.

فرآیندهای چاپ سه‌بعدی شامل مدل‌سازی اکستروژن یا FDM، چاپ سه‌بعدی فوتواسترئولیتوگرافی (SLA، DLP، LCD)، احیای انتخابی لیزری (SLS)، ذوب لیزری انتخابی (SLM)، چاپ اینکجت سه‌بعدی (3DP) و ساخت لایه‌ای (LOM) می‌شود.

مدل‌سازی اکستروژن ذوبی (FDM) فرآیندی است که در آن مواد گرمایی به شکل نخ به وسیله یک نازل گرم و ذوب شده، لایه به لایه روی یک پلتفرم قرار داده می‌شوند و در نهایت به یک شیء سه‌بعدی تبدیل می‌گردند. این فناوری اغلب از مواد گرمایی به عنوان مواد اولیه استفاده می‌کند، مانند کوپلیمر استایرن-بوتادیان-اکریلونیتریل (ABS)، اسید پلی‌لاکتیک (PLA) و غیره. این روش نیاز به تجهیزات کمی دارد و کار با آن آسان است و برای افراد و کارگاه‌های کوچک مناسب است. اخیراً اسباب‌بازی‌هایی مانند "چاقوی شاهی" و "شمشیر تلسکوپی" به این روش ساخته شده‌اند.

چاپ سه‌بعدی استریولیتوگرافی (SLA، DLP، LCD) از نوری با طیف و شکل مشخص برای تاباندن به رزین حساس به نور استفاده می‌کند و رزین فوتواکتیو لایه به لایه سفت شده و شیء مورد نظر را تشکیل می‌دهد. این فناوری دقت بالایی در ساخت و سطحی صاف و یکنواخت دارد و برای ساخت مدل‌های ظریف و قطعات کوچک مناسب است.

سینتر لیزری انتخابی (SLS) از یک پرتو لیزر برای اسکن مواد پودری استفاده می‌کند تا آن‌ها را ذوب کرده و به هم متصل کند و به این ترتیب یک شیء سه‌بعدی لایه به لایه ایجاد شود. این فناوری از پودر (مانند نایلون، پودر فلزی، پودر سرامیکی و غیره) به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کند، دقت بالایی در ساخت دارد و برای تولید قطعات عملکردی با ساختارهای پیچیده مناسب است.

ذوب لیزری انتخابی (SLM) دارای انرژی لیزر بیشتری است و همانند سینتر لیزری انتخابی (SLS) قادر است پودر فلزی را به طور کامل ذوب کند و به تولید سریع نمونه‌های اولیه فلزی دست یابد. این فناوری اغلب از پودر فلزی (مانند آلیاژهای تیتانیوم، فولاد ضد زنگ و غیره) به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کند، می‌تواند قطعات فلزی با استحکام و دقت بالا را چاپ کند و به طور گسترده در زمینه‌هایی مانند هوافضا، پزشکی و غیره استفاده می‌شود.

چاپ جت توری (3DP) از مواد پودری (فلزی یا غیرفلزی) و چسب به عنوان مواد اولیه استفاده می‌کند و با بهره‌گیری از مکانیسم پیوندی، هر قطعه را لایه به لایه چاپ می‌کند. نمونه‌های ساخته‌شده با این فناوری چاپ، دارای رنگی یکسان با محصول واقعی هستند و این تکنولوژی در حال حاضر یکی از فناوری‌های رنگی چاپ سه‌بعدی بامatur است.

ساخت لایه‌ای اجسام (LOM) از مواد ورقی نازک (مانند کاغذ، فیلم پلاستیکی و غیره) و چسب گرمایی به عنوان مواد اولیه استفاده می‌کند و اجسام مورد نیاز را لایه به لایه از طریق برش لیزری و اتصال حرارتی انباشته می‌کند. این فناوری دارای سرعت ساخت بالا و هزینه ماده اولیه پایین است و برای ساخت سازه‌های بزرگ و پوسته‌ها مناسب است.

اگرچه محصول فناوری چاپ سه‌بعدی دارای درجه بالایی از بازیابی است، اما استفاده از مواد اولیه چاپ آن را محدود می‌کند. محصولات چاپ‌شده سه‌بعدی بسیار شکننده هستند و به راحتی تحت نیروهای خارجی می‌شکنند. هنگام استفاده از چنین محصولاتی در سناریوهایی که نیازمند عملکرد مکانیکی بالایی هستند، کمی "ناتوان" به نظر می‌رسند. بنابراین، چگونه می‌توان "قلب شیشه‌ای" محصولات چاپ‌شده سه‌بعدی را بهبود داد تا دارای یک "پوست" زیبا و "انعطاف‌پذیری" بادوام باشند و به راحتی نشکنند؟

در ۳ ژویی ۲۰۲۴، دانشمندان چینی نتیجه یک تحقیق در مورد الاستومرهای چاپ‌شده سه‌بعدی را در نشریه Nature منتشر کردند. نوارهای کششی تهیه‌شده با این فناوری می‌توانند تا ۹ برابر طول اصلی خود کشیده شوند و حداکثر استحکام کششی آن‌ها به ۹۴٫۶ مگاپاسکال می‌رسد، که معادل آن است که یک میلی‌متر مربع از آن بتواند نیرویی معادل نزدیک به ۱۰ کیلوگرم را تحمل کند، و این ویژگی استحکام و انعطاف‌پذیری بسیار بالایی را نشان می‌دهد.

«صلح» میان سرعت قالب‌گیری و انعطاف‌پذیری محصولات نهایی

در فرآیند چاپ سه‌بعدی با پخت نوری (SLA، DLP، LCD)، برای بهبود بهره‌وری تولید نیاز به سرعت بیشتر در قالب‌گیری است، که این امر باعث افزایش چگالی پیوند عرضی ماده و کاهش چقرمگی ماده در فرآیند پخت می‌شود. در روش‌های متداول، با اینکه چقرمگی ماده افزایش می‌یابد، گرانروی ماده نیز افزایش می‌یابد که این موضوع باعث کاهش خواهد شد در روانی و کاهش سرعت قالب‌گیری. تضاد بین سرعت قالب‌گیری در چاپ سه‌بعدی و چقرمگی محصول نهایی همواره سراسر صنعت را دچار مشکل کرده است.

دانشمندان چینی این دو تناقض را با هم "تسویه" کرده‌اند. محققان با تحلیل رزین فوتوسنسیتیو به عنوان ماده اولیه در چاپ سه‌بعدی فوتونی و تجزیه فرآیند چاپ، استراتژی‌ای برای چاپ مراحله‌ای و پس‌پردازش ارائه دادند. محققان یک پیش‌ماده DLP (پردازش نوری دیجیتال) دی‌متاکریلات طراحی کردند که دارای یک پیوند اوره‌ای مهارشونده دینامیکی و دو گروه کربوکسیلیکی در زنجیره اصلی است. در طول مرحله چاپ و قالب‌گیری، این اجزای کلیدی در حالت "خوابیده" قرار دارند و در مرحله پس از قالب‌گیری نقش تقویت‌کننده ایفا می‌کنند.

الف. اشیاء چاپ‌شده سه‌بعدی و تغییرات ابعادی آن‌ها در حین پس‌پردازش؛ ب. عملکرد ضد نفوذ بالون‌های چاپ‌شده سه‌بعدی؛ ج. مدل‌سازی نیروی مکانیکی نفوذ؛ د-ه. آزمون بلند کردن وزن توسط گیره هوایی چاپ‌شده سه‌بعدی. منبع تصویر: مرجع [1]

در مرحله پس‌پردازش در دمای 90 درجه سانتی‌گراد، پیوندهای اوره مهارشده موجود در محصولات چاپ‌شده سه‌بعدی از هم گسیفته شده و گروه‌های ایزوسیانات تشکیل می‌دهند، که از یک سو با گروه‌های کربوکسیلیک زنجیر جانبی پیوند آمید تشکیل می‌دهند، و از سوی دیگر با آب جذب‌شده توسط اسید کربوکسیلیک واکنش داده و پیوندهای اوره تشکیل می‌دهند. تغییرات ایجادشده در پیوندهای شیمیایی درون مولکول‌ها، ساختار شبکه‌ای منفرد موجود در ماده را به یک ساختار شبکه‌ای درهم‌تنیده شبیه به "دست‌های در هم قفل‌کرده" متصل می‌کند، که به معنای ایجاد پیوندهای هیدروژنی بیشتر و تقویت ساختار داخلی ماده است. دقیقاً به دلیل همین تغییرات ایجادشده در ساختار داخلی ماده است که محصولات چاپ‌شده سه‌بعدی فضای بیشتری برای جذب انرژی در هنگام تغییر شکل ناشی از نیروهای خارجی دارند، مشابه اثر جذب انرژی در برخورد خودرو، که به بهبود مقاومت ضربه‌ای و مقاومت در برابر شکستگی و همچنین افزایش چقرمگی محصول منجر می‌شود.

نتایج آزمایش نشان می‌دهند که فیلم تهیه شده با چاپ سه‌بعدی با پیش‌ماده DLP با ضخامت تنها 0.8 میلی‌متر عملکرد بسیار قوی در برابر نفوذ را از خود نشان می‌دهد، به طوری که می‌تواند بدون شکستن، نیرویی معادل 74.4 نیوتن را تحمل کند. حتی در شرایط تورم با فشار بالا، گریپر پنوماتیکی چاپ شده با فناوری سه‌بعدی همچنان می‌تواند یک گوی مسی به وزن 70 گرم با خارهای تیز روی سطح را بدون شکستن لمس کند، که این امر نشان‌دهنده چقرمگی فوق‌العاده زیاد و استحکام ساختاری محصولات چاپی سه‌بعدی است.

کاربرد گسترده الاستومرهای چاپ شده سه‌بعدی

در زمینه تجهیزات ورزشی، الاستومرهای ساخته‌شده با چاپ سه‌بعدی به ورزشکاران امکان استفاده از تجهیزات شخصی‌سازی‌شده و با عملکرد بالا را فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، استفاده از زیرپایی‌های سفارشی و تجهیزات محافظ، از خواص الاستومرها در جذب ضربه و ارائه پشتیبانی به منظور بهینه‌سازی عملکرد ورزشی و بهبود تجربه پوشیدنی استفاده می‌کنند. بویژه در ورزش‌های اکسترم و با برخورد بالا، مواد الاستومری چاپ‌شده با چاپگرهای سه‌بعدی می‌توانند اثر ضربه را در حین تمرین به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهند و از مفاصل و عضلات ورزشکاران در برابر آسیب محافظت کنند.

در زمینه خودرو و هوانوردی، الاستومرهای چاپ‌شده با چاپگرهای سه‌بعدی برای ساخت قطعات کلیدی مانند قطعات سبک‌وزن جاذب ضربه و واشرها استفاده می‌شوند. این قطعات می‌توانند وزن را کاهش دهند و با طراحی‌های ساختاری پیچیده عملکرد بالایی را حفظ کنند.

در زمینه محصولات الکترونیکی، می‌توان از مواد الاستومری برای چاپ بلندگوهای هوشمند، دستبند‌های هوشمند، کیف‌های موبایل و سایر محصولات استفاده کرد. این محصولات نه تنها دارای نرمی و الاستیسیته عالی هستند، بلکه از مقاومت بالایی در برابر سایش و دوام نیز برخوردارند و می‌توانند نیازهای گوناگون مصرف‌کنندگان را از لحاظ ظاهری و عملکردی برآورده کنند.

در زمینه تولید صنعتی، از فناوری چاپ سه‌بعدی الاستومری برای ساخت انواع قالب‌های صنعتی، تسمه‌های نقاله و سایر قطعات استفاده می‌شود. این قطعات نیازمند تحمل تنش‌های مکانیکی و ارتعاشات بیشتری هستند و مواد الاستومری با داشتن الاستیسیته و مقاومت در برابر خستگی بسیار خوب، انتخابی ایده‌آل محسوب می‌شوند. تولید این قطعات از طریق فناوری چاپ سه‌بعدی نه تنها می‌تواند بهره‌وری تولید را افزایش دهد، بلکه هزینه‌های تولید را نیز کاهش می‌دهد.

ظهور فناوری چاپ سه‌بعدی الاستومری، به طور مداوم سناریوهای استفاده از محصولات چاپ سه‌بعدی را گسترش داده و امکانات رنگارنگ‌تری را برای زندگی ما فراهم کرده است.