جهان تکنولوژی دنیای شگفتی هاست. هنوز مدت زیادی از فراگیر شدن تکنولوژی چاپ سه بعدی نگذشته است که زمزمه هایی از نسل جدیدتر این تکنولوژی یعنی پرینت چهار بعدی به گوش می رسد.
چاپ سه بعدی، فرآیندی است که در آن چاپگر سه بعدی با قرار دادن لایه به لایه مواد مطابق با مدل دیجیتالی سه بعدی، اشیای سه بعدی را ایجاد کند. نسل بعدی این تکنولوژی مربوط به پرینترها و اشیا 4 بعدی است.
چاپ 4 بعدی فرایندی است که از طریق آن یک شی چاپ شده سه بعدی بر اثر تأثیر انرژی‌های ورودی و خارجی مانند دما، نور یا سایر محرک‌های محیطی، خود را به ساختار دیگری تبدیل کند.
اگرچه چاپ سه بعدی ممکن است در مقایسه با سایر تکنولوژی های جدید کمی جا افتاده باشد، اما تکنولوژی چاپ سه بعدی و 4 بعدی کاربردهای بسیار گسترده‌ای در تکنولوژی آینده خواهند داشت و یکی از فناوری‌های کاربردی در آینده باشند که جهان را دگرگون خواهد کرد.
فناوری چاپ چهار بعدی چیست؟
پرینت سه بعدی، که با عنوان تولید افزایشی شناخته می شود، 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 پرینت سه بعدی 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 برای 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، 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.
پرینت چهار بعدی در برابر پرینت سه بعدی
فناوری پرینت اشیاء در 3 بعد یکی از تکنولوژی های جدید در دو دهه اخیر است که با استفاده از یک طرح دیجیتال که در اصطلاح CAD نامیده می شود، قطعه ای فیزیکی را به تولید می رساند.
در این روش با پرینت لایه به لایه طرحی که در 2 بعد پرینت می شود و اتصال این لایه ها به یکدیگر، قطعه نهایی ساخته می شود. در علم متالوژی این گونه روش های تولید اصطلاحا پایین به بالا نامیده می شوند. این فناوری در بین روش های ساخت و تولید مزایا و چالش های زیادی داشته است، اما یکی از مواردی که سبب ابداع روش پرینت 4 بعدی شده است، عدم قابلیت تغییر شکل قطعات پرینت شده به روش 3 بعدی است.
ویژگی چاپ 4 بعدی باعث می شود سازه ها بتوانند شکلشان را با گذشت زمان تغییر دهند. به همین دلیل نیاز به وجود موادی منحصر به فرد و طراحی هایی ویژه است. چرا که نیاز به طراحی برنامه هایی جدید برای خلق سازه هایی 3 بعدی است که بتوانند در برابر وجود محرک خارجی مثل گرما، آب یا نور تغییر شکل بدهند. این مواد هوشمند که می توانند از مواد مختلفی مثل هیدروژل ها یا پلیمرهای حافظه دار ساخته شوند، قابلیت تغییر شکل و خواص مختلف دارند.
هیدروژل ها می توانند مقدار زیادی آب را درون خود ذخیره کنند. هم چنین می توانند تحت وجود محرک های خارجی منقبض شده یا انبساط پیدا کنند یا این که پس از تغییر شکل به حالت اولیه خود بازگردند.
در حالی که فرایند پرینت سه بعدی شامل دستورالعمل هایی برای پرینت لایه به لایه مواد بر روی هم است، پرینت چهار بعدی قابلیت هایی را به این فرایند اضافه می کند که اهمیت استفاده از مواد هوشمند را بیش از پیش بر ما آشکار می کند. بخشی از این قابلیت ها مربوط به کدهایی شامل ابعاد و زوایای هندسه جسم مورد نظر هستند. این قابلیت ها امکانی را برای ماده حافظه دار فراهم می کنند که خودشان را تحت شرایط محیطی سازگار کنند.
پیشرفت های اخیر در زمینه چاپ 3 بعدی
موسسات و شرکت های بسیاری هستند که در حال حاضر بر روی اشکال پرینت شده 4 بعدی و کاربردهای آن ها تحقیق می کنند.
آزمایشگاه دانشگاه MIT یکی از معروف ترین مراکز جهان است که در زمینه توسعه و طراحی تکنولوژی های خودترمیم شوندگی و مواد قابل برنامه ریزی فعالیت می کند تا طراحی، تولید و عملکرد آن ها را بهبود ببخشد.
این آزمایشگاه اخیرا فعالیت های خود را بر روی نوعی از چوب های قابل برنامه ریزی به اجرا درآورده است که می توانند جهت ساخت مبلمان خود ترمیم شونده توسعه داده شوند. بدین صورت شما می توانید تخته ای پرینت شده به صورت 4 بعدی را تصور کنید که با اضافه کردن مقداری آب یا کمی حرارت دادن می تواند به یک صندلی تبدیل شود.
موسس این آزمایشگاه شخصی به نام Skylar Tibbits بر این باور است که این تکنولوژی قابلیت توسعه در حوزه های زیادی را دارد. به عنوان مثال صنعت مد و لباس یکی از حوزه هایی است که می تواند به عرضه جولان این تکنولوژی تبدیل شود. یکی از تصورات وی، تولید لباس هایی است که ترکیب آن ها در شرایط آب و هوایی مختلف می توانند تغییر کنند.
به هر حال، تکنولوژی پرینت چهار بعدی قابلیت زیادی دارد که در بسیاری از حوزه های مختلف مهندسی و پزشکی به کار گرفته شود. برای مثال در علم پزشکی جهت استفاده در ایمپلنت های پزشکی یا سیستم های مکانیکی که قابلیت تغییر در شرایط محیطی مختلفی را داشته باشند.
محققین در دانشگاه Wollongong استرالیا فلکه های آبی تولید کرده اند که با قرارگیری در معرض آب داغ، بسته شده و با استفاده از آب سرد مجددا باز می شوند. این فلکه ها از جوهرهای هیدروژلی استفاده می کنند که با قرارگرفتن در معرض حرارت واکنش نشان می دهند.
پرینت 4 بعدی می تواند در بیوتکنولوژی یا علم پزشکی نیز به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، استنت های پرینت شده 4 بعدی می توانند با قرارگیری درون رگ ها، با جریان خون جابه جا شده و در مکان مناسب باز شوند. این تکنولوژی هم چنین می تواند در تولید کپسول های دارویی مورد استفاده قرار بگیرد؛ این کپسول ها با جابه جایی و انتقال به محل مناسب باز می شوند و دارو را به مکان مورد نظر تزریق می کنند.
در مثالی دیگر می توان به تولید رزین های مایع قابل پرینت چهار بعدی توسط محققین دانشگاه George Washington اشاره کرد که با استفاده از نور پخته می شوند. این رزین ها از از ترکیبات اکریلات اکسیده شده روغن سویا مشتق شده اند و می توانند به عنوان داربست برای رشد سلول های بنیادین استخوانی مورد استفاده قرار گیرند.
گرچه این تکنولوژی منحصر به کاربردهای فوق پیشرفته نخواهد بود و می تواند حتی در لوله کشی ساختمان های ما کاربرد داشته باشد. یکی از شایع ترین مشکلاتی که در تاسیسات لوله کشی خانگی مشاهده می شود، شکستگی و ترکیدگی لوله ها است. پرینت 4 بعدی این امکان را به ما خواهد داد که لوله هایی خود ترمیم شونده تولید کنیم که ترک یا شکستگی خود را ترمیم می کنند.
معماری یکی دیگر از حوزه هایی است که می تواند از این تکنولوژی سود ببرد. برای مثال سقف هایی متحرک را تصور کنید که با تغییر شرایط جوی باز یا بسته خواهند شد.
همان طور که در این مقاله ملاحظه کردید، تکنولوژی پرینت چهار بعدی کاربردهای بسیار متنوعی دارد و انتظار می رود که همانند تکنولوژی چاپ 3 بعدی بتوانند انقلابی در عرصه ساخت و تولید ایجاد کند. گرچه این تکنولوژی هنوز در ابتدای مسیر خود قرار دارد و مدت زیادی به طول خواهد انجامید تا به صورت فراگیر در دسترس قرار گیرد، اما بدون شک به کارگیری مواد هوشمند تحولی بسیار جذاب در عرصه علم و مهندسی مواد خواهد بود.