فناوری چاپ چهار بعدی چیست؟

پرینت سه بعدی، که با عنوان «تولید افزایشی یا Additive Manufacturing» نیز شناخته میشود، طرح های دیجیتال را تبدیل به اجسام فیزیکی می کند و این کار را به صورت ساخت لایه به لایه انجام می دهد. پرینت چهار بعدی نیز بر پایه همین تکنولوژی بنا شده است؛ با یک تفاوت بزرگ: این تکنولوژی از مواد خاص و طراحی هایی پیچیده استفاده می کند که طوری برنامه ریزی شده اند که پرینت سه بعدی شما را وادار به تغییر شکل می کنند.

بنابراین، اساسا، پرینت چهار بعدی را می توان نسخه ای جدید و نوسازی شده از پرینت سه بعدی به حساب آورد که در آن از مواد خاصی استفاده می شود تا محصول پس از تولید، تغییر شکل دهد. محرک تغییر می تواند آب، گرما، باد یا دیگر گونه های انرژی باشد.

چه کسی پرینت چهار بعدی را اختراع کرده است؟

نمی توان اختراع پرینت چهار بعدی را دقیقا به یک نفر نسبت داد. پرینت این فن در حال حاضر توسط بسیاری شرکت های بزرگ صنعتی و مراکز تحقیقاتی در حال توسعه است. مثلا در سال 2017، شرکتها یا آزمایشگاه های تحقیقاتی مانند MIT’s Self Assembly Lab، کارخانه پرینت سه بعدی Stratasys و شرکت نرم افزار سه بعدی Autodesk جزو مهمترین ها در امر پرینت چهار بعدی بودند.

با این وجود، همانطور که در ادامه خواهید دید، محققان استرالیایی و سنگاپوری در این زمینه به سرعت پیشرفت کرده اند. مشارکت آنها باعث اضافه شدن طیف وسیعی از مواد مناسب برای چاپ چهار بعدی و همچنین کمک به نزدیک کردن این تکنولوژی به بازار شد.

در4 D Printing شما نیاز به مکانیزم های حرکتی (ماشه ای) دارید

در پرینت چهار بعدی، برای شروع دگرگونی نیاز به یک محرک یا ماشه می باشد. این می تواند شامل آب، گرما، نور یا جریان الکتریکی باشد. برخی دیگر از محرک ها نیز وجود دارند که باید روی آنها تحقیقات عمیقتری صورت گیرد.

برای بعضی از فرآیند های پرینت چهار بعدی، شما نیاز به مواد خاصی دارید که توانایی واکنش به این محرک ها را داشته باشند. این باعث میشود که اجسام قابل «برنامه ریزی» باشند و هر زمان که شما محرک را فعال کنید، «کد ژنتیکی» پرینت سه بعدی آنها اجرا شود.

دیگر آزمایشگاه های تحقیقاتی روی برنامه ریزی تبدیل شکل جسم به ساختار های میکرومواد استاندارد، متمرکز شده اند. این رویکرد امکان استفاده از قابلیت های کشف شده در ساختار های میکروسکوپی را می دهد.

زمانی که پیکربندی آنها به درستی انجام شد، شکل مطلوب دگردیسی ساختارهای ماکرو به دست می آید. مزیت این کار این است که اجسامی که پرینت چهار بعدی شده اند می توانند در پرینترهای سه بعدی و مواد موجود هم استفاده شوند.

شرکت های عرضه کننده 4D Printing

در همین حال، در آزمایشگاه «MIT’s Self-Assembly Lab»، دستیار پروفسور «اسکایلر تیبیتز» در حال تلاش برای ارتقاء سطح پرینت چهار بعدی است. همانطور که خودش نیز گفته، او همیشه مجذوب پتانسیل بالای پرینت سه بعدی بوده است.

اما او همیشه می خواست بداند که چگونه می توان جسمی به دست آورد که در کمال دقت و درستی تغییر شکل دهد.

در سال 2014، دانشگاه «MIT» شرایطی را برای «تیبیتز» فراهم آورد تا او آزمایشگاه «Self-Assembly Printing Lab » جدید را افتتاح کند. از آن زمان، «تیبیتز» در حال همکاری با شرکت «Autodesk» است و بر روی ساخت یک سیستم کامپیوتری کار می کند که به هندسه های وارد شده اجازه می دهد تا چگونگی تغییر اجسام پرینت سه بعدی بعد از چاپ را تشخیص داده و اندازه گیری کند.

او همچنین مجله « 3D Printing and Additive Manufacturing  Journal » را منتشر می کند و در آن دستاوردها و بینشهای علمی در این زمینه را ارائه می دهد.

«تیبیتز» درخواست ها و پتانسیل زیادی را برای پرینت چهار بعدی متصور است. مثلا تولید کفش کتانی که در پای شما نسبت به فعالیتی که انجام می دهید، تغییر حالت خواهد داد یا لباس هایی که نسبت به وضعیت آب و هوا تغییر حالت می دهند.

در آزمایشگاه «MIT» به غیر از این تکنولوژی، روی چند مبحث دیگر نیز تحقیقات انجام می شود. مثلا تحقیقاتی بر روی ساختارهای مولکولی و تبدیل آنها به ساختارهای پیچیده در حال انجام است و همینطور زمینه هایی که به 3D Printing مربوط نیست.

در «انستیتو هاروارد» نیز یک تیم از دانشمندان در حال کار بر روی یک نوع خاصی از جوهر هستند که در برخورد با آب تغییر حالت می دهد و به آن هیدروژل می گویند.

جوهر هیدروژل به اشیایی که روی آنها چاپ شده است اجازه می دهد تا ساختار جدیدی بگیرند و شبیه گلها عمل می کند. ریز ساختارهای بافتی و ترکیبات گیاهان مختلف نسبت به شرایط محیطی تغییر می کنند.

یک انستیتو، این روند گیاهی را با ساخت هیدروژل پرینت چهار بعدی شبیه سازی کرده است. اجزای آن طوری برنامه ریزی شده اند که به مقدار دقیق ورم کنند و با این کار به گلهای چاپ شده اجازه می دهند که در برخورد با آب و شرایط محیطی تغییر کنند.

اجزای آن شامل یک سری فیبریلهای خاص سلولوزی هستند که از چوب گرفته شده اند و می توانند تغییراتی را که گیاهان در برابر رطوبت و دما و دیگر محرکهای محیطی از خود بروز می دهند را تقلید کنند.

این پیشرفت بزرگی است زیرا اجازه می دهد از موادی با اجزای مختلف برای فرآیند پرینت استفاده شود تا نتایج هندسی خاص، دقیق و قابل اندازه گیری به دست بیاید. این نتایج می تواند در صنایع مختلف که در آینده از این تکنولوژی بهره خواهند برد استفاده شود.

در دانشگاه «Wollongong» استرالیا، پروفسور «مارک» به همراه یک تیم تحقیقاتی، اولین سوپاپ آب را به وسیله پرینت چهار بعدی تولید کرده اند. این سوپاپ در برخورد با آب داغ بسته شده و زمانی که دمای آب پایین می آید دوباره باز می شود و این کار را با استفاده از جوهر هیدروژل انجام میدهد که نسبت به گرما واکنش سریع نشان می دهد.

این تیم عملکرد این سوپاپ را به وسیله آب داغ آزمایش کرد و نشان داد که بلافاصله بسته می شود و با ریختن آب خنک تر دوباره باز میشود.

هرچند که این فرآیند هنوز در ابتدای کار است اما گروه تحقیقاتی امیدوار است که در آینده ای نه چندان دور از این فناوری در بیوتکنولوژی و زمینه های پزشکی استفاده شود.

با توجه به این که 4D Printing یک تکنولوژی در حال ظهور است، هنوز معایبی وجود دارد که از تجاری شدن آن جلوگیری می کند. برای مثال، استفاده از مواد جامد دشوار است و به پنج مرحله نیاز است تا برای استفاده آماده شود.

اینجا «ژن دینگ» و گروهش از «دانشگاه تکنولوژی و طراحی سنگاپور» وارد ماجرا می شوند. آنها فرآیند جدیدی را ارائه کردند که این پنج مرحله را در یک مرحله خلاصه می کند. برای این منظور، آنها از یک پرینتر سه بعدی چند منظوره که در بازار موجود است استفاده کردند.

گروه تحقیقاتی «ژن دینگ» کارکرد فرآیند جدید را با آزمایش چندین جسم نشان دادند. برای نمونه یک ستاره مسطح تولید کردند که که در برخورد با آب ولرم به حالت گنبد یا گلی که گلبرگ هایش را بسته باشد، تغییر شکل می دهد. با وجود این یافته های جدید هیجان انگیز، پیشرفت به آهستگی انجام می شود اما مطمئنا به سرعت در دنیای تجارت شاهد حضور پرینت چهار بعدی خواهیم بود.