19 آگوست 2022 -توسط لین شی، مهندسی مکانیک دانشگاه کارنگی ملون
چند نمونه از هندسه های پیچیده سه بعدی چاپ شده با یخ سه بعدی، از جمله مارپیچ، درخت و اختاپوس قد یک نیم میلی متری. اعتبار: کالج مهندسی، دانشگاه کارنگی ملون
پیشرفت های بزرگ علمی اغلب نیازمند اختراعاتی در کوچکترین مقیاس هستند. پیشرفت در مهندسی بافت که می‌تواند جایگزین قلب و ریه شود، مستلزم ساخت بافت‌های مصنوعی است که جریان خون را از طریق گذرگاه‌هایی که ضخیم‌تر از یک تار مو نیستند، امکان‌پذیر می‌سازد. به طور مشابه، دستگاه‌های سافت ر‌بوتیک مینیاتوری (نرم ربات) که از نظر فیزیکی به طور ایمن و راحت با انسان در تعامل هستند، نیاز به ساخت قطعاتی با شبکه‌های پیچیده کانال‌های کوچک مایع و جریان هوا دارند.
پیشرفت در پرینت سه بعدی امکان تولید چنین ساختارهای ریزی را فراهم می کند. اما برای آن دسته از برنامه هایی که به کانال های داخلی بسیار کوچک، صاف و در هندسه های پیچیده خاص نیاز دارند، چالش ها باقی می ماند. چاپ سه بعدی این هندسه ها با استفاده از فرآیندهای سنتی نیاز به استفاده از ساختارهای پشتیبانی دارد که پس از چاپ به سختی حذف می شوند. چاپ این مدل ها با استفاده از روش های لایه ای با وضوح بالا زمان زیادی می برد و دقت هندسی را به خطر می اندازد.
محققان دانشگاه کارنگی ملون یک روش ساخت با سرعت بالا و قابل تکرار را توسعه داده اند که فرآیند چاپ سه بعدی را به “داخل بیرون” تبدیل می کند. آنها رویکردی برای ساختارهای یخی پرینت سه بعدی ایجاد کردند که می تواند برای ایجاد الگوهای قربانی استفاده شود که بعداً مجراها و سایر ویژگی های باز داخل قطعات ساخته شده را تشکیل می دهند.
آکاش گارگ، دکتری. دانشجوی مهندسی مکانیک و سایگوپالاکریشنا یرنی، دانشیار فوق دکترا در مهندسی شیمی، این فرآیند را توسعه دادند و مطالعاتی را زیر نظر بوراک اوزدوگانلار، فیلیپ لداک و فیل کمپبل، استادان مهندسی مکانیک و بیوپزشکی انجام دادند.
گارگ گفت: «با استفاده از فرآیند یخ سه بعدی خود، می‌توانیم قالب‌های یخی در مقیاس کوچک با دیواره‌های صاف و ساختارهای منشعب با انتقال صاف بسازیم. این می‌تواند متعاقباً برای ساخت قطعات ریز مقیاس با حفره‌های داخلی کاملاً مشخص استفاده شود.»
آب به عنوان فراوان ترین ماده روی سطح زمین و عنصر اصلی سازنده هر موجود زنده، برای استفاده در کاربردهای مهندسی زیستی بسیار مناسب است. انتقال فاز ساده و سریع آب به یخ فرصت های هیجان انگیزی را برای استفاده از آب به عنوان یک ماده ساختاری سازگار با محیط زیست فراهم می کند.
این تیم از ساختارهای یخی چاپ شده به عنوان الگوهای قربانی برای “قالب گیری معکوس” یا چاپ سه بعدی از داخل به بیرون استفاده می کند. ساختارهای یخی به شکل مایع یا ژل یک ماده ساختاری سرد، مانند رزین، غوطه ور می شوند. پس از سفت شدن یا پختن مواد، آب خارج می شود. برای این منظور می توان یخ را ذوب کرد تا آب تخلیه شود. روش دیگر، یخ را می توان با تبدیل آن به بخار آب بدون تبدیل آن به آب مایع تصعید کرد. این توانایی برای تصعید آسان یخ امکان حذف آسان و “آرام” را پس از ریخته‌گری و انجماد مواد ساختاری اطراف می‌دهد.
یک سیستم پرینت سه بعدی با وضوح بالا برای رسوب قطرات آب بر روی یک پلت فرم سفارشی با دمای -35 درجه سانتیگراد که به سرعت آب را به یخ تبدیل می کند، استفاده می شود. با تعدیل فرکانس جهش قطرات آب و همگام سازی آن با حرکات صحنه، فرآیند جدید امکان چاپ هندسه های شاخه دار با سطوح صاف و تغییرات مداوم قطر با انتقال صاف را فراهم می کند.
محققان این موضوع را با چاپ چندین هندسه یخی پیچیده مانند یک درخت، مارپیچ در اطراف یک قطب و حتی یک مجسمه هشت پا با ارتفاع یک و نیم میلی متر نشان می دهند. تغییر فاز سریع آب و استحکام یخ، امکان چاپ سه بعدی آزاد سازه های یخی را بدون نیاز به چاپ لایه به لایه یا سازه های پشتیبانی وقت گیر فراهم کرد.
مطالعات تجربی برای تعیین مسیر چاپ، سرعت مرحله حرکت، و فرکانس قطرات برای ساخت مجدد ساختارهای یخی صاف با هندسه های مستقیم، شیبدار، انشعاب و سلسله مراتبی انجام شد.
گارگ توضیح داد: «کنترل بسیاری از پارامترها چالش برانگیز بود. “ما به تدریج پیچیدگی را ایجاد کردیم.”
اوزدوگانلار گفت: “این یک دستاورد شگفت انگیز است که پیشرفت های هیجان انگیزی را به همراه خواهد داشت.” ما بر این باوریم که این رویکرد پتانسیل بسیار زیادی برای متحول کردن مهندسی بافت و سایر زمینه‌ها دارد، جایی که ساختارهای مینیاتوری با کانال‌های پیچیده مورد نیاز است، مانند میکروسیال‌ها و رباتیک نرم.
