چاپ سه‌بعدی الهام‌گرفته از طبیعت: طراحی معماری، ساختارهای کارآمدی را ایجاد می‌کند

زمانی که در سال ۱۹۸۵ چاپ سه‌بعدی برای اولین بار معرفی شد، نقطه عطف بزرگی برای صنعت تولید بود و علاوه بر ارزان‌تر بودن آن نسبت به فناوری‌های تولید سنتی، نویدبخش امکان سفارشی‌سازی طرح‌ها و ساخت نمونه‌های اولیه بر اساس تقاضا نیز بود. البته فناوری چاپ سه‌بعدی هنوز هم نسبتاً جدید تلقی می‌شود و در دهه گذشته تقاضای فزاینده‌ای برای روش‌های چاپ سه‌بعدی در بخش‌های مختلف، از هوافضا و دفاع گرفته تا پزشکی، وجود داشته است.

با این حال، دانشیار پابلو والدیویا ای آلوارادو از دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور معتقد است که هنوز روش‌هایی برای رسیدن چاپ سه‌بعدی به پتانسیل کامل خود وجود دارد. در چاپ سه‌بعدی سنتی، از یک نازل برای چاپ لایه به لایه مواد استفاده می شود و مسیری که نازل طی می‌کند به عنوان مسیر ابزار شناخته می‌شود.

البته چاپ لایه به لایه، برای کار با موادی مانند سیلیکون، اپوکسی‌ها و اورتان‌ها که دیر خشک می‌شوند و زمان بیشتری برای سخت شدن نیاز دارند، ناسازگار است. این نوع مواد اغلب برای تولید *فراماده‌های مکانیکی نرم استفاده می‌شوند و این نوع فراماده‌ها نیز به نوبه خود برای ساختارهای سبک و الهام گرفته از طبیعت، مانند شبکه‌ها و ساختارهای تار عنکبوتی استفاده می‌شوند. فرآیندهای مبتنی بر رسوب در چاپ سه‌بعدی، مانند فرآیند مستقیم نوشتن با جوهر (direct ink writing)، می‌تواند با این نوع مواد برای ایجاد ساختارهای الهام گرفته از طبیعت کار کند، اما مشکل اینجاست که مسیر ابزارهای این فرآیندها بهینه نشده است.

(*فراماده‌ها: موادی هستند که به صورت مهندسی‌شده طراحی می‌شوند تا خواصی از خود نشان دهند که در مواد طبیعی به ندرت یافت می‌شود. فرامواد انواع مختلفی دارند، الکترومغناطیسی، نوری، حرارتی و مکانیکی.)

دانشیار والدیویا ای آلوارادو توضیح می دهد: "این مسائل منجر به طولانی شدن زمان چاپ می‌شوند و رفتار پویای مواد در حالت خشک نشده آنها، طولانی تر شدن زمان چاپ را تشدید می‌کند. بنابراین، چاپ سه‌بعدی ساختارهای پیچیدۀ الهام گرفته از طبیعت، همچنان چالش برانگیز باقی می ماند."

برای مقابله با این چالش، دانشیار والدیویا ای آلوارادو و تیمش در دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور یک رویکرد طراحی معماری‌ را پیشنهاد دادند و آن را در مقاله ای تحت عنوان «طراحی و ساخت معماریِ فرامواد مکانیکی نرم» در نشریه سیستم های هوشمند پیشرفته (Advanced Intelligent Systems) منتشر کرده‌اند.

این تیم با نگاهی ویژه به چگونگی استفاده از فرآیند مستقیم نوشتن با جوهر برای ساخت سازه‌های سبک، ابتدا روشی را برای بهینه‌سازی مسیرهای ابزار طراحی کرد. تیم آلوارادو با تجزیۀ طرح سه‌بعدی شیء به نقاط و اشکال ساده، توانست از هر دو طرح بخش بندی شده و طرح پیوسته مسیر ابزار، برای بهبود مسیر ابزار کلی استفاده کند. تیم او از این طریق، توانست مسیر ابزارهایی تولید کند که شامل شروع و توقف‌های غیرضروری کمتری باشند.

برای آزمایش این رویکرد و ایجاد مسیر ابزارهای بهینه، تیم او چندین نوع ساختار الهام‌گرفته از طبیعت را با استفاده از این روش چاپ کرد. این تیم ابتدا جهت بیشتر مناسب کردن این مواد برای فرآیند مستقیم نوشتن با جوهر ،  به دنبال تنظیم خواص مواد چاپ بود و با انتخاب سه ماده سیلیکونی موجود در بازار و سپس افزودن یک اصلاح‌کننده موسوم به  Thivex، 9 ترکیب ماده متمایز را ایجاد و مشخص کرد که برای فرآیند مستقیم نوشتن با جوهر، مناسب‌تر بودند.

سپس محققان با استفاده از رویکرد پیشنهادی خود به چاپ سه‌بعدی مژک‌ها، تار عنکبوت‌ها، ساختارهای برگ‌مانند و شبکه‌ها پرداختند و قابلیت‌های سازه‌ها را در محیط‌های مختلف آزمایش کردند. در مورد مژه‌های چاپ سه‌بعدی، این تیم متوجه شد که افزودن آن به *ساکشن کاپ، نیروی کشش ساکشن کاپ ها را بهبود می‌بخشد. در عین حال، شبکه چاپ سه‌بعدی شده ثابت کرد که یک ساختار جاذب انرژی مؤثر است که نشان دهنده کاهش حداکثر نیروهای اوج ضربه تا ۸۵ درصد است .

(*ساکشن کاپ: نوعی ابزار ساده جهت نگه داشتن، جا به جایی و یا کشیدن اجسام می باشد که این حرکات با استفاده از وکیوم و یا اعمال فشار منفی انجام می شود.)

با توجه به این یافته‌ها، تیم آلوارادو نسبت به توسعه روش‌های چاپ سه‌بعدی مبتنی بر رسوب برای چاپ سازه‌های الهام‌گرفته از طبیعت در آینده خوش‌بین است.

دانشیار والدیویا ای آلوارادو می گوید: "اگرچه این رویکرد هنوز در مرحله تحقیق است، اما پتانسیلی که برای طراحی‌های سفارشی و با کارایی بالا دارد، آن را برای صنایعی که روی رباتیک، فناوری‌های پوشیدنی و فراماده‌های پیشرفته متمرکز هستند، بسیار مرتبط و مناسب می‌کند."

او همچنین توضیح داد که فرآیندهای تولید افزایشی، مثل چاپ سه بعدی مبتنی بر رسوب می‌توانند جایگاه ویژه‌ای در کاربردهای پیشرفته پیدا کنند و مکمل روش‌های سنتی باشند که برای تولید سازه‌های با حجم بالا و استاندارد ضروری هستند. در حال حاضر، این تیم روی بهبود کارایی مقیاس‌پذیری روش خود، کاهش هزینه‌های این روش و گسترش تطبیق‌پذیری مواد به محیط‌های صنعتی متمرکز است. برای انجام این کارها، تیم آلوارادو قصد دارد چاپ چند ماده‌ای را بررسی کند که امکان چاپ مواد مختلف را فراهم می‌کنند و این پژوهش به نوبه خود چیزی را ایجاد می‌کند که تیم او آنها را "فراماده‌های مهندسی‌شده" نامیده است. علاوه بر این، تیم آلوارادو بررسی خواهد کرد که چگونه تکنیک‌های یادگیری ماشینی می‌تواند کاربران چاپ سه‌بعدی را قادر سازد تا برای طرح‌های فراماده‌ای که می‌خواهند تولید کنند، معیارهای عملکرد را مشخص کنند.

دانشیار والدیویا ای آلوارادو، با تأمل می گوید: "این پیشرفت‌ها، پتانسیل فراماده‌ ها در چاپ سه‌بعدی را برای طیف وسیعی از کاربردها، از جمله *رباتیک نرم و تجهیزات محافظ پوشیدنی، بیشتر آشکار خواهد کرد."

(*رباتیک نرم: روباتیک نرم زیرمجموعه خاصی از روباتیک است که با ساخت روبات هایی از مواد کاملاً انعطاف پذیر ، مشابه آنچه در موجودات زنده موجود است، سروکار دارد.)