تکنولوژی پرینت چهار بعدی چیست و چه تفاوتی با پرینت سه بعدی دارد؟

پرینت چهار بعدی در برابر پرینت سه بعدی

فناوری پرینت اشیاء در 3 بعد که از آن با نام فناوری ساخت افزایشی نیز یاد می کنند، 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 متالورژی، 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 و صلب بودن قطعات پرینت شده به روش 3 بعدی است.

اصول روش پرینت 4 بعدی چیزی مشابه به روش 3 بعدی است. این تکنولوژی از پرینترهای 3 بعدی جهت تولید قطعات استفاده می کند و حتی برنامه CAD داده شده به رایانه جهت ساخت لایه به لایه قطعات چیزی مشابه با روش 3 بعدی است.

با این حال، چیزی که این روش را نسبت به حالت 3 بعدی متمایز می کند، استفاده از بعدی جدید است که آن را بعد چهارم می نامیم. ویژگی که 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 را تحت شرایط برنامه ریزی شده 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 خودترمیم 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 موفق به تولید فلکه های آبی شده 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، توسط 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 اکسده 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 خودترمیم 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 منتفع گردد. برای مثال سقف هایی متحرک را تصور کنید که با تغییر شرایط جوی باز یا بسته خواهند شد.

آینده در دستان تکنولوژی پرینت 4 بعدی …

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.