چاپ چهار بعدی چیست؟

در دنیای وحشی و شگفت انگیز فناوری، همیشه موضوعی جدید و پرطرفدار وجود دارد. در حال حاضر، چاپ 4 بعدی دارد به یک موضوع جدید داغ تبدیل می شود. در این مقاله، ما سعی می کنیم مروری کلی بر چاپ 4 بعدی، فناوری، کاربردها و مفاهیم آن داشته باشیم.
 

چاپ 4 بعدی چیست؟

چاپ سه بعدی یک نمونه سازی سریع و فناوری ساخت است که مواد را لایه به لایه برای ایجاد اشیاء سه بعدی ذخیره می کند. چاپ سه بعدی، که به عنوان "تولید افزودنی" نیز شناخته می شود، نقشه های دیجیتالی را با ایجاد لایه به لایه، به اجسام فیزیکی تبدیل می کند. چاپ 4 بعدی بر اساس همین فناوری است، با یک تفاوت بزرگ: از مواد ویژه و طرح های پیچیده ای استفاده می کند که "برنامه ریزی" شده اند تا چاپ سه بعدی شما را وادار به تغییر شکل کنند. اساساً، چاپ 4 بعدی از تکنیک های مشابه چاپ سه بعدی برای ایجاد قطعات استفاده می کند. تفاوت اصلی این است که اجسام چاپ شده 4 بعدی پس از چاپ شکل خود را در طول زمان تغییر می دهند، در حالی که شیء چاپ سه بعدی شده همان شکل ثابت را حفظ می کند.
 
بنابراین، اساساً، چاپ 4 بعدی نوسازی چاپ سه بعدی است که در آن از مواد خاصی برای چاپ اشیاء، که شکل را پس از تولید تغییر می دهند، استفاده می شود. محرک (تغییر شکل) ممکن است آب، گرما، باد و سایر اشکال انرژی باشد.
 
چاپ 4 بعدی به اجسام چاپ شده سه بعدی این امکان را می دهد که با گذشت زمان شکل خود را تغییر دهند. اصطلاح "چاپ 4 بعدی" به این بعد چهارم اضافی اشاره دارد: زمان.

این فناوری در حال ظهور ترکیبی از تکنیک های چاپ سه بعدی با علم مواد بالا، مهندسی و نرم افزار است.

مواد نقش مهمی در چاپ 4 بعدی ایفا می کنند، زیرا این فناوری از موادی استفاده می کند که به طور خاص برای واکنش به یک محرک خاص طراحی شده اند.

محرک های متداولی که می توانند باعث تغییر شکل اجسام ساخته شده شوند شامل تغییرات دما، نور، آب، میدان های مغناطیسی و همچنین عوامل شیمیایی و دیگر عوامل محیطی است.

هنگامی که توسط یک منبع خارجی فعال می شوند، اشیاء چاپ 4 بعدی شده می توانند خود را در شکل های از پیش تعیین شده تا کنند یا باز کنند، و این درهای طیف وسیعی از برنامه های هیجان انگیز را باز می کند.
 
چه کسی چاپ 4 بعدی را اختراع کرد؟
شما واقعاً نمی توانید ایجاد چاپ 4 بعدی را دقیقاً به یک مخترع نسبت دهید. چاپ 4 بعدی در حال حاضر توسط بسیاری از رهبران صنعت و امکانات تحقیقاتی توسعه یافته است. از سال 2017، مهم ترین شرکت های چاپ 4 بعدی / آزمایشگاه های تحقیقاتی عبارتند از Self-Assembly Lab از MIT، سازنده چاپ سه بعدیStratasys ، و شرکت نرم افزار سه بعدی Autodesk.
 
با این حال، در این رابطه محققان استرالیایی و سنگاپوری به سرعت در حال افزایش هستند. مشارکت آنها طیف وسیعی از مواد مناسب برای چاپ 4 بعدی را گسترش می دهد و به نزدیک شدن فناوری به بازار کمک می کند.
 

از کجا می توانید چاپگر 4 بعدی بخرید؟

 
 
این فناوری هنوز در مرحله تحقیق و توسعه است. در برخی از آزمایشگاه ها یا امکانات نمونه سازی، از چاپ 4 بعدی در حال حاضر استفاده می شود. همچنین ممکن است به عنوان بخشی از تأسیسات هنری و نمایشگاه های معماری شاهد این فناوری باشید.
 
اما به عنوان یک مصرف کننده، نمی توانید فقط وارد یک فروشگاه شوید و یک "چاپگر 4 بعدی" بخرید یا مجوز "چاپ 4 بعدی" را دریافت کنید. این احتمال زیاد وجود دارد که روزی از مسیرهایی که چاپ 4 بعدی را در زندگی روزمره خود دارند عبور کنید بدون این که حتی متوجه آن باشید. این چاپ های 4 بعدی اعم از ایمپلنت های پزشکی یا سیستم های مکانیکی که با تغییر شرایط محیطی پیکربندی خود را تغییر می دهند خواهند بود.
 

چاپ 4 بعدی چگونه کار می کند؟

 
برای درک چاپ 4 بعدی ابتدا نیاز به درک نحوه واکنش مواد در برابر یک محرک خاص است. با استفاده از این دانشِ رفتار مواد، مهندسان می توانند یک شیء را با تغییرات در ساختار مادی آن طراحی کنند.

بر اساس طراحی دیجیتالCAD ، یک مدل سپس به صورت سه بعدی، یا به صورت تک یا در یک ماده کامپوزیت چاپ می شود.

با استفاده از این رویکرد، مهندسان می توانند اجزایی را ایجاد کنند که شکل های از پیش تعیین شده ای داشته باشند یا هنگام تحریک توسط یک محرک خاص به روش های خاصی تا شوند و باز شوند.
 
تصور کنید جعبه ای دارید که با چاپگر سه بعدی چاپ شده است. این به تنهایی خوب است، اما تصور کنید اگر آن جعبه می توانست هنگامی که تحت تأثیر برخی محرک ها قرار می گرفت به طور خودکار برای بسته بندی شدن خود را پهن کند. وقتی ما فقط تأثیر جعبه ای از حالت سه بعدی به دو بعدی (با صاف کردن خود) را در نظر بگیریم، تقریباً بچه گانه به نظر می رسد، اما تأثیری که موارد ساده ای از این قبیل می تواند در دنیای تجارت داشته باشد بسیار زیاد است.
 
به عنوان مثال، فرض کنیم یک شرکت حمل و نقل بار (که حالا ما اسمش را می گذاریم باربری تاانداز) یک انبار دارد که در آن همه جعبه های حمل و نقل خود را ذخیره می کنند. هر زمان که این شرکت حمل و نقل محموله ای دریافت می کند، آنها کالا را از جعبه ها برای تحویل به سایت های جداگانه خود خارج می کنند، و سپس جعبه ها را صاف می کنند تا آنها را به محل عزیمت خود برسانند تا بتوانند دوباره برای محموله های دیگر مورد استفاده قرار گیرند.
 
حال، تصور کنید که همین شرکت روزانه ترتیب 5000 کامیون بار را می دهد. بنابراین، آنها باید 200 نفر را استخدام کنند تا مرتباً جعبه های حمل و نقل را باز کنند. با احتساب 10 دلار در ساعت، با فرض یک روز کاری 7 ساعته، باربری تاانداز روزانه 14000 دلار به این کارکنان اصلیِ کار پرداخت می کند.
 
بنابراین، با داشتن جعبه هایی که بر اساس محرک ها تخت می شوند، چنین شرکتی می تواند سالانه تقریباً 5 میلیون دلار صرفه جویی کند! و این فقط یک مثال است که چگونه چاپ 4 بعدی می تواند مفید باشد!
چاپ 4 بعدی از تکنیک های مشابه چاپ سه بعدی برای ایجاد قطعات استفاده می کند. تفاوت اصلی این است که اجسام چاپ شده 4 بعدی پس از چاپ شکل خود را در طول زمان تغییر می دهند، در حالی که شیء چاپ سه بعدی شده همان شکل ثابت را حفظ می کند.

در چاپ 4 بعدی، شما به مکانیزم های محرک نیاز دارید.

در طی فرایند چاپ 4 بعدی، یک کد هندسی اضافه می شود که حاوی "دستورالعمل" در مورد نحوه حرکت یا تغییر شکل پس از تحریک محرک است. این مرحله از پیش برنامه ریزی امکان ایجاد اشیاء هوشمند و پاسخگو را فراهم می کند که می توانند با عوامل محیطی خاص سازگار شوند. در واقع پس از اتمام فرایند چاپ، این کد هندسی از پیش برنامه ریزی شده است که تعیین می کند که چگونه مناطق مختلف جسم باید در برابر یک محرک خاص واکنش نشان دهند.
 
در چاپ 4 بعدی، برای شروع تغییر به محرک هایی نیاز دارید. این ها می توانند شامل آب، گرما، نور یا جریان های الکتریکی باشند. اشکال دیگری از محرک ها وجود دارد که برخی از آنها باید عمیقاً از طریق تحقیق مورد بررسی قرار گیرند.
 
برای برخی از فرایندهای چاپ 4 بعدی، به مواد خاصی نیاز دارید که بتوانند در برابر این محرک ها واکنش نشان دهند. این باعث می شود که اشیاء قابل برنامه ریزی شوند و "کد ژنتیکی" چاپ سه بعدی آنها را هر زمان که می خواهید فعال شوند اجرا کنید.
 
سایر آزمایشگاه های تحقیقاتی بر روی "برنامه ریزی" شکل مورد نظر جسم در ساختار خرد مواد استاندارد تمرکز می کنند. این رویکرد از قابلیت های کشف شده در ساختارهای میکروسکوپی استفاده می کند. هنگامی که این ها به درستی پیکربندی شده باشند، تغییر شکل مطلوب ساختار کلان را نشان می دهند. مزیت، این است که اشیاء چاپ شده 4 بعدی می توانند از چاپگرها و مواد موجود استفاده کنند.
 

شرکت های چاپ 4 بعدی

تصور کنید که کفشی خریداری می کنید که می تواند خود را برای پای شما تنظیم کند یا یک وسیله پزشکی ایجاد می کنید که در صورت تحریک توسط یک محرک خاص بتواند کاملاً با آناتومی بیمار سازگار شود. اینها تنها برخی از کاربردهای بالقوه چاپ 4 بعدی هستند - یک حوزه تحقیقاتی هیجان انگیز و رو به رشد.

در حالی که چاپ 4 بعدی به نظر می رسد چیزی خارج از رمان علمی تخیلی باشد، گارتنر پیش بینی می کند که 300 میلیون دلار برای چاپ 4 بعدی تا سال 2023 سرمایه گذاری می شود، اگرچه این فناوری هنوز تا حد زیادی از دسترسی تجاری فاصله دارد.
 
در حال حاضر، در آزمایشگاه Self-Assembly از MIT، استادیار Skylar Tibbits در حال کار بر روی چاپ 4 بعدی برای بردن آن به سطح بعدی است. همان طور که وی در گفتگوهای TED خود اظهار داشت، او همیشه شیفته قابلیت های چاپ سه بعدی بوده است. اما او می خواست بداند که چگونه کسی می توانست باعث شود که یک شیء با صحت و دقت تغییر شکل دهد (یعنی آنچه چاپ 4 بعدی اجازه می دهد).
 
در سال 2014، MIT  اعطای کمک مالی به Tibbits را برای افتتاح آزمایشگاه جدید چاپ خودمونتاژی اش تأیید کرد. از آن زمان، Tibbits ب ا Autodesk روی ایجاد یک سیستم کامپیوتری کار می کند که به ورودی های هندسی اجازه می دهد تا اندازه گیری کنند که چگونه اشیاء چاپ سه بعدی شده قادر به تغییر پس از چاپ هستند. او همچنین یک فصلنامه چاپ سه بعدی و تولید مواد افزودنی منتشر می کند و بینش های علمی را در مورد بسیاری از موضوعات چاپ سه بعدی ارائه می دهد.
 
Tibbits  انواع برنامه های کاربردی آینده را برای چاپ 4 بعدی مشاهده می کند. آنها طیفی دارند از کفش های ورزشی که بر اساس فعالیت هایی که انجام می دهید روی پاهایتان فیت می شوند تا نحوه تغییر ترکیب لباس بر اساس آب و هوا.
 
در زمینه آزمایشگاه Self-Assembly در MIT، این فناوری تنها یکی از چندین راهی است که توسط Tibbits  و همکارانش دنبال می شود. از جمله دیگر فناوری های مورد بررسی، ساختارهای مولکولی هستند که در هنگام برانگیختن به ساختارهای پیچیده و سایر مفاهیم چاپ سه بعدی تبدیل می شوند.
 
در مؤسسه مهندسی  الهام گرفته شده از زیست شناسی Wyss در دانشگاه هاروارد، تیمی از دانشمندان در حال مطالعه روشی هستند که یک جوهر مخصوص که به نام هیدروژل شناخته می شود، هنگامی که با آب تحریک می شود، شکل و فرم خود را تغییر می دهد.
 
جوهر هیدروژل به اجسامی که روی آنها چاپ می شود اجازه می دهد که تغییر شکل دهند و ساختارهای جدیدی شبیه به آن چه در گل ها یافت می شود  ایجاد کنند. ریزساختارها و ترکیبات بافتی گیاهان مختلف بسته به موقعیت محیط آنها تغییر می کند.
 
وایس با توسعه هیدروژل چاپ 4 بعدی این فرایند را تکرار کرده است. کامپوزیت های آن طوری برنامه ریزی شده است که دارای تورم دقیق باشد و به گل های چاپ شده سه بعدی اجازه می دهد در صورت قرار گرفتن در معرض آب و سایر تغییرات محیطی شکل خود را تغییر دهند. این کامپوزیت ها حاوی فیبریل های سلولزی خاص مشتق شده از چوب - که شبیه ریز ساختارهایی هستند که به گیاهان اجازه تغییر شکل می دهند - قادرند از تغییراتی که اندام های گیاه در واکنش به رطوبت، دما و سایر محرک های محیطی انجام می دهند تقلید کنند.
 
این یک پیشرفت بزرگ است زیرا اجازه می دهد تا از مواد با ترکیبات مختلف در یک فرایند چاپ برای دستیابی به نتایج هندسی خاص، قابل اندازه گیری و دقیق در صنایع مختلف استفاده شود که ممکن است در آینده این صنایع از این فناوری استفاده کنند (به ساخت و ساز فکر کنید).
 
در دانشگاه وولونگونگ در استرالیا، پروفسور مارک در het Panhuis و تیمی از محققان اولین شیر آب چاپ 4 بعدی را ایجاد کرده اند. هنگامی که در معرض آب داغ قرار می گیرد بسته می شود و با کاهش دمای گرم با استفاده از جوهر هیدروژل که به سرعت به گرما واکنش نشان می دهد دوباره باز می شود.
 
این تیم عملکرد این شیر آب را با ریختن آب داغ در آن نشان دادند. آنها نشان دادند که چگونه بلافاصله بسته می شود و پس از پمپاژ آب سردتر در آن، دوباره باز می شود.
 
در حالی که این نوع فرایند از نظر ماهیت جوان است، تیم امیدوار است که بتواند در آینده نزدیک در زمینه های بیوتکنولوژی و پزشکی چندین تمرین مفید را به کار گیرد.
 
از آن جا که چاپ 4 بعدی هنوز یک فناوری نوظهور است، رویکردهای ارائه شده دارای اشکالاتی است که تا کنون از تجاری شدن آن جلوگیری کرده است. برای مثال، ساخت مواد جامد بسیار سخت است و برای آماده سازی آنها برای استفاده به پنج مرحله متمایز نیاز است.
 
وارد تیم Zhen Ding در دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور شوید. آنها فرآیند جدیدی را توسعه دادند که این پنج مرحله را در یک مرحله ادغام می کند. برای این منظور، محققان از چاپگر سه بعدی چند ماده ای تجاری استفاده کردند.
 
گروه تحقیقاتی ژن دینگ با طیف وسیعی از اشیاء آزمایشی، مانند یک ستاره مسطح که به شکل یک گنبد یا یک گل خم می شود که گلبرگهای آن با لمس آب گرم بسته می شوند، روند جدید را نشان دادند. با این یافته های جدید هیجان انگیز، جزر و مد به آرامی اما مطمئناً به سمت کاربردهای تجاری مناسب چاپ 4 بعدی پیش می رود.
 
 

چاپ 4 بعدی: بعدی چیست؟

 
 چندین فناوری چاپ سه بعدی مناسب برای پردازش مواد قابل برنامه ریزی یا "هوشمند" وجود دارد:
 
* سنگ استریولیتوگرافی (SLA) (Stereolithography)،
* ساخت رشته های ذوب شده (FFF) (Fused Filament Fabrication)،
* پرتاب مواد (Material Jetting)،
* ذوب لیزری انتخابی (SLM)( Selective Laser Melting).
 
در حالی که سه مورد اول معمولاً با مواد مبتنی بر پلیمر کار می کنند، مواد معمول SLM فلزات هستند.

به طور قابل توجهی، پیشرفت اخیر در چاپ 4 بعدی را می توان تا حد زیادی به پیشرفت فناوری Material Jetting  نسبت داد که چاپ چند ماده را امکان پذیر می کند. این فناوری با پرتاب کردن قطرات مواد کار می کند و اجازه می دهد نشست آن به شدت کنترل شود.

همان طور که دیدیم، این فناوری از مواد "هوشمند" طراحی شده ویژه ای استفاده می کند که دارای یک یا چند ویژگی هستند که می تواند توسط عوامل محرک خارجی تغییر کند.
 
همان طور که در بالا ذکر شد، چاپ 4 بعدی در مراحل نوجوانی تبدیل به یک علم می شود. با این حال، چند گروه متمرکز از دانشمندان در سراسر جهان وجود دارند که معتقدند کاربرد چاپ 4 بعدی ممکن است به واقعیت تبدیل شود و در آینده نزدیک یا میان مدت به یکی از فناوری های سریعاً در حال رشد تبدیل شود.
 
نمونه های گوناگونی وجود دارد که واقعاً نشان می دهد این فناوری تا کجا پیش رفته است. به اجسام تاشو ساده، به مواد تغییر شکل قابل برنامه ریزی، و به کامپوزیت های هیدروژل فکر کنید. سال ها تحقیق و آزمایش سرانجام به اختراعات شگفت انگیزی مانند ایمپلنت های پزشکی تطبیقی​​، ساختمان های خود مونتاژ و حتی روبات های نرم چاپ 4 بعدی منجر خواهد شد.
 
در واقع، چندین سال یا شاید حتی یک دهه یا بیشتر طول می کشد تا شاهد برنامه های اصلی چاپ 4 بعدی باشیم. با این اوصاف، به نظر می رسد که این فناوری از تکامل چاپ سه بعدی پیروی می کند تا به فناوری خط شکن بعدی در تولید تبدیل شود.
 
استفاده های بی شمار از فناوری چاپ 4 بعدی بسیار جذاب است. بنابراین مطمئن شوید که در سال های آینده چشم به راه این صنعت جدید و جذاب خواهید بود زیرا پیشرفت های جدید باعث بهبود زندگی ما در دنیای شگفت انگیز فردا می شود.
 
منبع: ماتیو یانگ، all3dp.com