چاپ ۳بعدی اشیای پیچیده با استفاده از یک ماده ناشناخته!

چاپ سه‌بعدی یک روش محبوب برای بسیاری از فعالان حوزه‌های علم و فناوری است.

به نقل از ام‌آی‌تی نیوز، اگرچه چاپ سه‌بعدی در حال حاضر محبوبیت زیادی پیدا کرده است، اما بسیاری از مواد پلاستیکی را که این چاپگر‌ها برای ایجاد اشیاء استفاده می‌کنند، نمی‌توان به راحتی بازیافت کرد. مواد جدید پایدار برای چاپ سه‌بعدی در حال ظهور هستند، اما استفاده از آنها دشوار است، زیرا تنظیمات چاپگر سه‌بعدی باید برای هر ماده تنظیم شود و این فرآیند عموما با دست انجام می‌گیرد.

برای چاپ یک ماده جدید از ابتدا، معمولا باید تا ۱۰۰ پارامتر در یک نرم‌افزار تنظیم شوند که نحوه قالب زدن مواد را هنگام ساخت یک شیء توسط چاپگر کنترل می‌کند. موادی مانند پلیمر‌های تولید انبوه که معمولا مورد استفاده قرار می‌گیرند، مجموعه‌ای از پارامتر‌ها را ایجاد کرده‌اند که از طریق فرآیند‌های خسته‌کننده و آزمون و خطا تکمیل شده‌اند.

ویژگی‌های مواد تجدیدپذیر و قابل بازیافت براساس ترکیب آنها می‌تواند به طور گسترده در نوسان باشد. بنابراین، ایجاد یک مجموعه از پارامتر‌های ثابت تقریبا غیرممکن است. در این حالت، کاربران باید همه پارامتر‌ها را به صورت دستی ارائه کنند.

پژوهشگران دانشگاه «ام‌آی‌تی» (MIT) با توسعه یک چاپ‌گر سه‌بعدی که می‌تواند پارامتر‌های یک ماده ناشناخته را به طور خودکار شناسایی کند، این مشکل را حل کرده‌اند.

گروهی از پژوهشگران «مرکز بیت‌ها و اتم‌ها» (CBA) در دانشگاه ام‌آی‌تی با همکاری «مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا» (NIST) و «مرکز ملی پژوهش‌های علمی یونان» (Demokritos)، قالب زدن را که مانند قلب یک چاپگر سه‌بعدی است، اصلاح کردند تا بتواند نیرو‌ها و جریان یک ماده را اندازه‌گیری کند.

این داده‌ها که از طریق یک آزمایش ۲۰ دقیقه‌ای جمع‌آوری می‌شوند، به یک تابع ریاضی راه می‌یابند که برای تولید خودکار پارامتر‌های چاپ مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پارامتر‌ها را می‌توان در نرم‌افزار چاپ سه‌بعدی وارد کرد و برای چاپ با موادی که قبلا دیده نشده‌اند، مورد استفاده قرار داد.

پارامتر‌های تولید شده به طور خودکار می‌توانند جایگزین حدود نیمی از پارامتر‌هایی شوند که تنظیم آنها معمولا باید با دست انجام بگیرد. پژوهشگران در یک مجموعه از چاپ‌های آزمایشی با مواد منحصربه‌فرد از جمله چندین ماده تجدیدپذیر نشان دادند که روش آنها می‌تواند به طور مداوم پارامتر‌های قابل دوام را تولید کند.

این پژوهش می‌تواند به کاهش اثرات زیست‌محیطی تولید مواد افزودنی کمک کند که معمولا بر پلیمر‌های غیر قابل بازیافت و رزین‌های به دست آمده از سوخت‌های فسیلی متکی است.

«نیل گرشنفلد» (Neil Gershenfeld) مدیر مرکز بیت‌ها و اتم‌ها و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: ما در این پژوهش، روشی را نشان داده‌ایم که می‌تواند همه بیومواد جالب ساخته‌شده از منابع مختلف پایدار را استفاده کند و نشان دهد که چاپگر می‌تواند به تنهایی نحوه چاپ کردن مواد را بیابد. هدف این است که چاپ سه‌بعدی پایدارتر شود.

تغییر دادن ویژگی‌های مواد

در فرآیند «ساخت فیلامان ذوبی» (FFF) که اغلب در نمونه‌سازی سریع استفاده می‌شود، پلیمر‌های مذاب از طریق یک نازل گرم‌شده لایه‌به‌لایه بیرون می‌آیند تا یک شیء را بسازند. نرم‌افزار موسوم به «اسلایسر» (slicer)، دستورالعمل‌هایی را به دستگاه ارائه می‌دهد، اما اسلایسر باید طوری پیکربندی شود که با یک ماده خاص کار کند.

استفاده کردن از مواد تجدیدپذیر یا بازیافتی در یک چاپ‌گر سه‌بعدی FFF به ویژه چالش‌برانگیز است، زیرا متغیر‌های زیادی وجود دارند که بر خواص مواد تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، یک پلیمر یا رزین زیستی ممکن است از ترکیبات گوناگون گیاهان فصلی تشکیل شده باشد. خواص مواد بازیافتی نیز براساس آنچه برای بازیافت در دسترس قرار دارد، بسیار متفاوت است.

پژوهشگران ام‌آی‌تی برای غلبه بر این چالش‌ها، یک چاپ‌گر سه‌بعدی با گردش کار جدید ابداع کردند تا پارامتر‌های فرآیند قابل اجرا را برای هر ماده ناشناخته به طور خودکار شناسایی کند.

آنها کار خود را با چاپ‌گر سه‌بعدی که آزمایشگاه آنها پیشتر ساخته بود، آغاز کردند که می‌توانست داده‌ها را ثبت کند و بازخورد‌ها را هنگام کار ارائه دهد. پژوهشگران سه نوع تجهیزات را به بخش قالب‌ریزی دستگاه اضافه کردند تا اندازه‌گیری‌های مورد استفاده را برای محاسبه پارامتر‌ها انجام دهند.

استخراج داده‌ها

هنگامی که تجهیزات جدید در جای خود قرار گرفتند، پژوهشگران یک آزمایش ۲۰ دقیقه‌ای انجام دادند که یک مجموعه خوانش دما و فشار را با جریان‌های متفاوت ایجاد می‌کند. این آزمایش شامل تنظیم نازل چاپ در گرم‌ترین دمای آن، به جریان درآوردن مواد با سرعت ثابت و سپس خاموش کردن سیستم حرارتی است. «جیک رید» (Jake Read) پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: فهمیدن اینکه چگونه می‌توان آن آزمایش را انجام داد، واقعا دشوار بود.

این داده‌ها به تابعی وارد می‌شوند که پارامتر‌های واقعی را به طور خودکار برای پیکربندی مواد و دستگاه، براساس ورودی‌های دما و فشار نسبی ایجاد می‌کند. سپس، کاربر می‌تواند آن پارامتر‌ها را در نرم‌افزار چاپ سه‌بعدی وارد کند و دستورالعمل‌هایی را برای چاپگر به وجود بیاورد.

در آزمایش‌های صورت‌گرفته با شش ماده متفاوت که تعدادی از آنها زیست‌محور بودند، این روش به طور خودکار پارامتر‌های قابل قبولی را ایجاد کرد و پارامتر‌ها به طور مداوم توانستند به چاپ موفق یک شیء پیچیده بپردازند.

پژوهشگران قصد دارند در مراحل بعد، این فرآیند را با نرم‌افزار چاپ سه‌بعدی ادغام کنند تا نیازی به وارد کردن دستی پارامتر‌ها وجود نداشته باشد. علاوه بر این، پژوهشگران می‌خواهند گردش کار خود را با ترکیب کردن یک مدل ترمودینامیکی افزایش دهند که بخشی از چاپگر است و رشته‌های مواد را ذوب می‌کند.

این پژوهش در مجله «IMMI» به چاپ رسید.

منبع: ایسنا