نقش چاپ سه بعدی در نانو فناوری

رانشگر نانو ماهواره یون های خالص ساطع می کند

این مطالعه برای اولین بار نشان دهنده‌ی یک رانشگرِ کاملاً چاپ سه بعدی شده، با استفاده از انتشار یون خالص برای نیروی پیشرانه است.
 
تصویر: سمت چپ: رانشگرهای نانو ماهواره ای در کنار سکه های ایالات متحده (اندازه آنها تقریباً دو برابر یک سکه است)؛ سمت راست: تصاویر نزدیک میکروگراف الکترونی از خوشه ها، با بزرگ نمایی های بیشتر. نانو سیم های منفرد نشان داده می شوند. رانشگرهای نانو ماهواره ای که جریانی از یون های خالص منتشر می کنند اولین در نوع خود هستند که با استفاده از ترکیبی از چاپ سه بعدی و رشد هیدرو ترمال نانو سیم های اکسید روی، به صورت کاملاً افزودنی ساخته می شوند. نسخه فولاد ضد زنگ (بالا) در کل بهتر کار می کند اما تولید آن بسیار گران تر است. محققان دریافتند که نسخه پلیمری (پایین) عملکردی قابل مقایسه با هزینه ای کمتر دارد. Velásquez-García Group
 
یک رانشگر چاپ سه بعدی که جریانی از یون های خالص ساطع می کند می تواند یک منبع محرکه ارزان قیمت و بسیار کارآمد برای ماهواره های مینیاتوری باشد.
پیچیدگی در تولید دیجیتال و مواد افزودنی، آزاد است. رانشگر نانو ماهواره ایجاد شده توسط محققان MIT اولین از این نوع است که کاملاً به صورت افزودنی ساخته می شود و از ترکیبی از چاپ سه بعدی و رشد گرمابی نانو سیم های اکسید روی استفاده می کند. همچنین اولین رانشگر از این نوع است که یون هایی خالص را از مایعات یونی مورد استفاده برای ایجاد (نیروی) پیشرانه تولید می کند.
 
لوئیس فرناندو، دانشمند اصلی تحقیق در آزمایشگاه های فناوری MIT's Microsystems Technology (MTL) ) می گوید: یون های خالص باعث می شوند که رانشگر از دستگاه های پیشرفته مشابه کارآمدتر باشد و به رانشگر رانش بیشتری در واحد جریان پیشرانش می دهند.
 
البنه روشن است که رانش فراهم شده توسط دستگاهی که بزرگی اش تقریباً به اندازه یک سکه است، بسیار کوچک است. این نیرو را می توان در مقیاس چند ده میکرو نیوتون اندازه گیری کرد، یعنی رانشی تقریباً برابر با نیمی از وزن یکی از دانه های کنجد در یک نان همبرگر. اما در محیط بدون اصطکاکِ مدار، یک CubeSat یا یک ماهواره مشابه کوچک می تواند از این رانش های کوچک برای تسریع یا مانور همراه با کنترل دقیق استفاده کند.
 
Velásquez-García می گوید: مزایای تولید افزودنی امکانات کم هزینه جدیدی را برای تأمین انرژی ماهواره ها فراهم می آورد. "اگر می خواهید در زمینه تولید سخت افزار با کارایی بالا برای فضا جدی باشید، واقعاً باید به دنبال بهینه سازی شکل ها، مواد و همه چیزهایی باشید که این سیستم ها را تشکیل می دهند. چاپ سه بعدی می تواند به همه این موارد کمک کند.”
 

الکترو پاشش کاری یون های خالص

رانشگر کوچک شده، به صورت الکترو هیدرو دینامیکی کار می کند و یک اسپری خوب از ذرات بار دار شتاب دار تولید می کند که برای تولید نیروی پیشران، ساطع می شود. این ذرات از نوعی نمک مایع به نام مایع یونی حاصل می شوند.
 
در طراحیMIT ، یک بدنه چاپ سه بعدی شده، نگهدارنده مخزنی از مایع یونی، همراه با یک جنگل کوچک از مخروط های ساطع کننده پوشش داده شده با نانوسیم های اکسید روی است که به صورت هیدروترمال بر روی سطوح مخروط رشد داده شده اند. نانوسیم ها به عنوان فتیله ای برای انتقال مایعات از مخزن به نوک های انتشار دهنده عمل می کنند. با اعمال ولتاژ بین ساطع کننده ها و الکترود استخراج کننده چاپ سه بعدی، ذرات باردار از نوک های ساطع کننده خارج می شوند. محققان آزمایش چاپگرها را در نوعی فولاد ضد زنگ و همچنین رزین پلیمری انجام دادند.
 
محققان توانستند با استفاده از تکنیکی به نام طیف سنجی جرمی، جت یونی خالصی را تشخیص دهند که می تواند ترکیب ذرات را بر اساس جرم مولکولی آنها شناسایی کند. به طور معمول، یک اسپری الکتریکی تولید شده از مایعات یونی، حاوی یون ها به علاوه گونه های دیگر ساخته شده از یون های مخلوط با مولکول های خنثی است.
 
جت خالص یونی غافلگیرکننده بود و تیم تحقیق هنوز کاملاً مطمئن نیستند که چگونه تولید شده است، اگر چه Velásquez-García  و همکارانش فکر می کنند نانو سیم های اکسید روی "سس مخفی" است. "ما معتقدیم که این امر ارتباطی با نحوه تزریق بار و نحوه تعامل مایع با مواد سیم دارد زیرا مایعات را به مکان های انتشار منتقل می کند. "
 
تولید جت از یون های خالص به این معنی است که رانشگر می تواند با بهره وری‌ای بیشتر، از پیشرانه موجود در هواپیما استفاده کند و بهره وری پیشرانه برای اشیاء واقع در مدار امری کلیدی است زیرا سوخت گیری مجدد ماهواره ها به ندرت گزینه ای است که انتخاب می شود. " ، شما می خواهید سال های زیادی از سخت افزاری که در فضا قرار می دهید استفاده کنید، بنابراین من فکر می کنم که این یک استراتژی خوب برای انجام کارآمد کار است. "
 

مزایای تولید افزودنی

Velásquez-García می گوید: طرح های الکترو اسپری می توانند کاربردهای زیادی فراتر از فضا داشته باشند. این روش "می تواند نه تنها یون ها، بلکه مواردی مانند الیاف نانو و قطرات را نیز منتشر کند. می توانید از الیاف برای ساخت فیلتر یا الکترود برای ذخیره انرژی استفاده کنید یا از قطرات برای پاک سازی آب دریا با حذف آب نمک استفاده کنید. شما همچنین می توانید از طرح های اسپری الکتریکی در یک احتراق استفاده کنید تا سوخت را به قطرات بسیار کوچک و ریز تبدیل کنید."
 تولید افزودنی راهی برای ساخت دستگاه های کوچک است که حاوی چندین ماده با قابلیت های جدید هستند و در صورت تمایل برای برنامه های شخصی تر طراحی می شوند.او می افزاید: رانشگر نانو ماهواره یک مثال خوب است در این مورد که چگونه روش های تولید افزودنی می توانند دستگاه هایی تولید کنند که "شخصی، سفارشی و ساخته شده از ساختارهای پیچیده و چند ماده ای" باشند. وی و همکارانش به جای استفاده از ماشین آلات لیزر گران قیمت یا فناوری های اتاق تمیز برای تولیدات تخصصی صنعتی، دستگاه رانشگر را بیشتر با استفاده از دستور العمل هایی که می توانند به صورت گسترده توزیع شوند، روی چاپگرهای تجاری ساختند.
 
و از آن جایی که این تکنیک ها نسبتاً ارزان، سریع و آسان برای استفاده هستند، او می گوید می توان طرح ها را به طور عالی تکرار کرد تا بتوان ویژگی ها را بهبود بخشید و تأثیرات شگفت انگیزی مانند انتشار یون خالص در موارد جدید را بررسی کرد.
 
توماس گرزبیک، استاد سیستم های ریز در دانشگاه علم و صنعت وروسلاو، که درگیر این مطالعه نبوده است، می گوید: از مزایای میکرو سیستم های چاپ سه بعدی می توان به هزینه های کمتر و زمان کوتاه تر برای نمونه سازی و توسعه، همراه با سهولت مونتاژ ساختارهای چند ماده ای در آنها، اشاره کرد.
 
گرزبیک می گوید: "تمام این مزایا را می توان در رانشگرهای یونی تولید شده در MIT نیز مشاهده کرد." "و دیگر این که، از آن جا که در چند سال اخیر پیشرفت زیادی در چاپ سه بعدی حاصل شده است، پارامترهای دستگاه های ساخته شده با استفاده از این روش در حال شبیه شدن به همان مواردی هستند که توسط آزمایشگاه های تخصصی با تکنیک های میکرو مهندسی بسیار پیچیده تر، گران تر و محدود شده اند. "
 
وی می گوید: "فناوری چاپ سه بعدی نیز به طور مداوم در حال بهبود است و به طور بالقوه امکان پیاده سازی سیستم های حتی بهتر را نیز در آینده نزدیک فراهم می آورد که این سیستم ها دارای ویژگی های کوچک تری هستند و از مواد بهتری ساخته شده اند." "ما در حال تولید بهترین سخت افزار ممکن هستیم که افراد بیشتری توانایی تهیه آن را داشته باشند. "
 یک رانشگر چاپ سه بعدی که جریانی از یون های خالص ساطع می کند می تواند یک منبع محرکه ارزان قیمت و بسیار کارآمد برای ماهواره های مینیاتوری باشد.چاپ سه بعدی پمپ مغناطیسی مینیاتوریطرح ارائه شده در این چاپ سه بعدی، اولین نمایش از یک پمپ مغناطیسی چند ماده ای چاپ سه بعدی شده است که تماماً در یک قطعه چاپ شده است.
   
تصویر: سه پمپ چاپ سه بعدی. پمپ های مغناطیسی یکپارچه، کاملاً چاپ سه بعدی شده در کنار یک سکه ایالات متحده نشان داده شده است. درگاه های سیال در پمپ های سمت چپ و مرکز قابل مشاهده هستند، در حالی که پیستون با آهن ربای تعبیه شده در پمپ سمت راست قابل مشاهده است. پمپ ها در نماهای مختلف نشان داده می شوند: از مقاطع بالا، پایین، و کنار. Luis Fernando Velásquez-García
 پمپ مینیاتوری جدید، جمع و جور، بدون دریچه، و به صورت مغناطیسی کار می کند، و توانایی های گسترده دستگاه های تولید شده توسط چاپ سه بعدی را نشان می دهد.پمپ مینیاتوری جدید، جمع و جور، بدون دریچه، و به صورت مغناطیسی کار می کند، و توانایی های گسترده دستگاه های تولید شده توسط چاپ سه بعدی را نشان می دهد.
 
پمپ با داشتن حجمی فقط به اندازه 1 سانتی متر مکعب، در عرض فقط 75 دقیقه و در یک فرآیند استفاده کننده از چندین ماده ساخته شد که هزینه آن کمتر از 3.89 دلار برای هر واحد است. این پمپ می تواند مایعات و گازها را با استفاده از انرژی کمتر و گرفتگی کمتر نسبت به پمپ های استاندارد تولید شده در این اندازه، حرکت دهد. یکی از طراحی های این پمپ، اولین نمایش یک پمپ مغناطیسی چند ماده ای است که به صورت سه بعدی چاپ شده است – و همه در یک قطعه.
 
لوئیس فرناندو سیرک-گارس ، دانشمند اصلی تحقیق در آزمایشگاه های فناوری MIT’s Microsystems Technology (MTL) ، تیم سازنده پمپ را هدایت کرد. او می گوید از پمپ کارآمد و قابل حمل می توان در برنامه هایی "از پیل های سوختی گرفته تا تولید برق و تا مبدل های حرارتی" استفاده کرد که تراشه های کامپیوتری را خنک می کنند.
 
وی اضافه می کند که تولید افزودنی راهی برای ساخت دستگاه های کوچک است که حاوی چندین ماده با قابلیت های جدید هستند و در صورت تمایل برای برنامه های شخصی تر طراحی می شوند.
 
او امیدوار است که این پمپِ توجیه کننده خود، دیگران را ترغیب کند تا به گونه ای نزدیک تر، به پتانسیل تولید لایه به لایه و افزودنی به کمک رایانه، در مقایسه با سبک تولید انبوه "اتاق تمیز" که توسط صنعت نیمه هادی تنظیم شده است، نگاه کنند.
 
در حالی که محققان سعی در تقلید از موفقیت های این صنعت در تولید دستگاه های کوچک مینیاتوری داشته اند، "شما به این نتیجه می رسید که، در برخی موارد، روش های تولید نمی توانند یکسان باشند، مواد نمی توانند یکسان باشند و تجسم های خاصِ راه حل ها خیلی با هم فرق می کنند".
 

قابل حمل و قدرتمند

پمپ ها، هر کدام کمی کوچک تر از قطر یک سکه، به شکل استوانه های کوچکی هستند که توسط غشائی تاج گذاری می شوند. در بالای غشاء محفظه سیال قرار دارد که دارای دو درگاه بدون دریچه در قسمت بالا برای اتصال به لوله ها است. محققان پمپ را به دو روش چاپ کردند و از نایلون 12 به عنوان ماده ساختاری در هر دو استفاده کردند. در پمپ اول، یک آهنربا با فشار در ساختار پیستون، به گونه ای محصور قرار می گیرد. محققان برای پمپ یکپارچه دوم، از نایلون 12 جاسازی شده با ریز ذرات آهنربای نئودیمیم (NdFeB) برای ایجاد هسته مغناطیسی پمپ استفاده کردند.
 
Velásquez-García می گوید: نایلون 12 یک ماده ساختاری عالی است که می تواند مقادیر زیادی از ذرات مغناطیسی را به راحتی جذب کند و به اندازه کافی محکم هست که بتواند ریز ذرات NdFeB را در طول مغناطش آنها ثابت نگه دارد. " در یک ماده نرم تر، ذرات دچار لرزش می شوند، در نتیجه هیچ مغناطش خالص از کامپوزیت مغناطیسی ایجاد نمی شود. "
 
پمپ توسط یک آهنربای دوار بیرونی هدایت می شود، که با مغناطیس داخلی تعامل می کند تا پیستون را حرکت و غشاء را تغییر شکل دهد، و مایع یا گاز را از یک درگاه به دیگری منتقل کند. پیستون فقط توسط غشاء محدود می شود، و بنابراین در صورت فعال شدن توسط آهنربای خارجی می تواند همزمان از چند طریق حرکت کند. از آن جا که به صورت مغناطیسی هدایت می شود، به عنوان مثال، دستگاه جدید قابل حمل تر از پمپ های پنوماتیک است که نیاز دارند به اتصال فیزیکی به منبع خارجیِِ سیالِ تحت فشار.
 از مزایای میکرو سیستم های چاپ سه بعدی می توان به هزینه های کمتر و زمان کوتاه تر برای نمونه سازی و توسعه، همراه با سهولت مونتاژ ساختارهای چند ماده ای در آنها، اشاره کرد.پس از چهارده میلیون چرخه کارکرد، محققان نتیجه گرفتند که پمپ های جدید هیچ نشانه ای از نشت ندارند، و عملکرد آنها از پمپ های مایع مینیاتوری چاپ سه بعدی شده، پیشرفته تر است و به خوبی با پمپ های خلأ تجاری مینیاتوری قابل مقایسه هستند.
 

"در این مورد، هیچ کپی – پِیستی وجود ندارد"

اگر چه پمپ با هیچ طرح قبلی خاصی به نیت استفاده عملی طراحی نشده است، اما Velásquez-García  می گوید این دستگاه فرصت های در دسترس از طریق چاپ سه بعدی یکپارچه و چند ماده ای را به نمایش می گذارد.
 
به عنوان مثال، محققان با تغییر در روش های چاپ برای ایجاد غشایی با قدرت تغییر شکل بیشتر و در عین حال با محکم نگه داشتن بدنه پیستون به صورت سفت و سخت - با استفاده از همان مواد نایلون 12 - توان پمپ جدید را بیش از پمپ تولید شده در سیلیکون افزایش دادند.
 
Velásquez-García می گوید: "این کار مثل کپی – پیست هایی که تاکنون مردم انجام می داده اند نیست، بلکه در واقع از مزایای چاپ بهره می برد." "من فکر می کنم یک فرصت واقعی ایجاد تغییر وجود دارد اگر ما دو باره به مشکلاتی بپردازیم که قبلاً نتوانسته بودیم کاملاً حلشان کنیم و اکنون به دلیل این چتر حمایتی تولید مواد افزودنی، می توانیم."
 
آلبرت فولچ، استاد مهندسی زیستی در دانشگاه واشنگتن که در مطالعه MIT درگیر نبوده است، می گوید: "پمپ مغناطیسی جدید" یک اجرای کاملاً هوشمندانه این اصل است که "پیچیدگی در تولید دیجیتال و مواد افزودنی، آزاد است." "از آن جا که این پمپ ها از اجزای مختلفی از مواد مختلف و اشکال پیچیده ساخته شده اند، تولید و مونتاژ سنتی آنها گران در می آید. "
روش های تولید افزودنی می توانند دستگاه هایی تولید کنند که "شخصی، سفارشی و ساخته شده از ساختارهای پیچیده و چند ماده ای" باشند.  squez-Garc با این نظر موافق است: "اگر شما بتوانید دستگاه هایی را که از مواد گوناگونی ساخته شده اند به صورت یک پارچه تولید کنید، امکانات پردازش انرژی و اطلاعات، بسیار بیشتر است. "
 
به عنوان گام بعدی، squez-Garc  و همکارانش ممکن است از درس هایی که از پمپ آموخته اند برای ساخت یک موتور الکتریکی مینیاتوری استفاده کنند. اما او امیدوار است که مردم دنیا از پمپ برای طراحی و ساخت دستگاه های خود الهام بگیرند، خصوصاً که می توان آنها را با استفاده از چاپگرهای نسبتاً ارزان و در دسترس ایجاد کرد. وی می گوید: "شاید این بتواند نقشی در دموکراتیک کردن فناوری داشته باشد. "
 
منبع: بکی هام، MIT.nano، آزمایشگاه های فناوری میکرو سیستم