انقلاب در چاپ چهاربعدی با مواد هوشمند
چاپ سهبعدی از زمان طرحریزی نخستین ایده توسط دانشمند ژاپنی، هیدئو کوداما در سال ۱۹۸۱، چشمانداز طراحی و تولید را دگرگون کرده است. تلاش اولیه کوداما برای ایجاد سامانه نمونهسازی سریع در نهایت به رویکرد ساخت لایهبهلایه منجر شد. تنها دو سال بعد، مخترع آمریکایی چاک هال با معرفی استریولیتوگرافی یا SLA، این مفهوم را به واقعیتی عملی تبدیل کرد.
در دهههای پس از آن، چاپ سهبعدی از ابزاری محدود برای نمونهسازی به فناوریای فراگیر تبدیل شد که در حوزههایی چون پزشکی، هوافضا، رباتیک و صنایع تولیدی کاربرد پیدا کرد. مهندسان اکنون از این روش برای ساخت پروتزها، ایمپلنتهای دندانی، قطعات هواپیما و حتی بافت انسانی آزمایشی بهره میگیرند. پس از نزدیک به چهار دهه تحول پیوسته، این عرصه وارد مرحلهای تازه شده است: چاپ چهاربعدی.
رویکرد نوظهور، عنصر زمان را به عنوان بُعدی کارکردی به اشیای چاپشده وارد میکند. به بیانی ساده، این فرآیند امکان میدهد که اشیای چاپی در گذر زمان شکل، ویژگیها و کارکردهای خود را تغییر دهند. در هسته خود، چاپ چهاربعدی بر پایه چاپ سهبعدی بنا شده اما با افزودن مواد هوشمند برنامهپذیر که به محرکهای بیرونی واکنش نشان میدهند، گسترش مییابد. این فرآیند به جای تولید قطعات ایستا، سازههایی ایجاد میکند که قادرند در برابر تغییرات دما، نور، رطوبت یا pH خم شوند، باز و بسته شوند، کش بیایند، منبسط یا منقبض شوند. پس از چاپ، این مواد میتوانند ساختار، خصوصیات و کارکردهای خود را در طول زمان یعنی همان بعد چهارم تغییر دهند و بدین ترتیب، جسم چاپشده توانایی سازگاری با محیط پیرامون یا حتی مونتاژ خودکار را پیدا میکند.
مفهوم معماری تغییرشکلپذیر در قالب چاپ چهاربعدی نخستین بار توسط پژوهشگران MIT در سال ۲۰۱۳ معرفی شد؛ آنان نشان دادند که یک سازه تخت چاپشده در مجاورت آب داغ میتواند به صورت خودکار به شکل یک مکعب درآید. در عین حال، پژوهشی جداگانه در سال ۲۰۲۱ نشان داد که چگونه یک استنت پزشکی میتواند در دمای بدن بهطور خودکار گسترش یابد. در ادامه همین مسیر، محققان مؤسسه فناوری هاربین (HIT) اخیراً موفق به ساخت متامتریالهای گرادیانی با پلیمر حافظهدار چندشکلی، چندپاسخگو و چندماده شدند. جینسونگ لنگ استاد HIT و یکی از نویسندگان این پژوهش در بیانیهای تأکید کرد: «ما در حال گذار از طراحیهای ایستا به سوی موادی هستیم که قادرند حس کنند، تصمیم بگیرند و عمل کنند.»
کاربردهای احتمالی این فناوری بسیار گسترده است. در پزشکی، استنتهای چاپشده با فناوری چهاربعدی میتوانند در هنگام وارد شدن به بدن به صورت فشرده باقی بمانند و سپس پس از قرارگیری در محل مناسب به شکل خودکار باز شوند، که این امر نیاز به مداخلههای جراحی اضافی را کاهش میدهد. همزمان، پژوهشگران در حال بررسی سامانههای انتقال دارویی هستند که تنها در واکنش به شرایط خاص، مانند افزایش دمای بدن در زمان تب، دارو را آزاد میکنند و بدین ترتیب درمانها را ایمنتر و کارآمدتر میسازند.
بخشهای ساختوساز و هوافضا نیز از دیگر حوزههایی هستند که میتوانند به شدت از این فناوری سود ببرند. این تکنیک میتواند ساختارهای خودمونتاژشوندهای ایجاد کند که نه تنها نیاز به نیروی کار را به میزان چشمگیری کاهش میدهد بلکه هزینهها را نیز به شکل قابل توجهی پایین میآورد. افزون بر این، چاپ چهاربعدی امکان تولید رباتهای نرم و انعطافپذیری را فراهم میآورد که قادر به انجام وظایفی هستند که رباتهای سنتی توانایی اجرای آن را ندارند.
محصولات مصرفی نیز میتوانند از مزایای این شیوه تولید بهرهمند شوند. نمونههایی از این کاربردها شامل کفشهایی است که خود را با شرایط راه رفتن سازگار میکنند، مبلمان خودمونتاژ، وسایل تزئینی تغییررنگدهنده و در نهایت لباسهایی که متناسب با شکل بدن تغییر میکنند.
همانند بسیاری از فناوریهای نوظهور، چاپ چهاربعدی نیز مجموعهای از قابلیتهای هیجانانگیز به همراه دارد. یکی از مزیتهای کلیدی این فرآیند، امکان تاخوردگی محاسباتی است که اجازه میدهد قطعاتی بزرگتر از ظرفیت چاپگر سهبعدی در قالب اشکالی فشرده و ثانویه تولید شوند. افزون بر آن، چاپ چهاربعدی نسبت به چاپ سهبعدی متعارف، بازدهی بیشتری دارد و با کاهش مصرف انرژی، استفاده از مواد، زمان تولید و هزینهها همراه است. این فناوری همچنین بسیار سازگارپذیر است، به این معنا که به جای تولید اجسام ایستا و تکمنظوره، اجزایی را پدید میآورد که قادر به واکنش و بازپیکربندی در زمان واقعی هستند.
با وجود نیاز به پژوهشهای بیشتر، چاپ چهار بعدی ظرفیت قابل توجهی برای ارتقای پایداری در مهندسی عمران از طریق بهرهگیری از مواد تجدیدپذیر و زیستپایه نشان میدهد. این فناوری همچنین در کاهش ضایعات، کم کردن خطاها و جلوگیری از اتلاف محصولات در فرآیندهای تولید مؤثر است. یکی دیگر از مزایای برجسته آن سرعت بالاتر در مقایسه با بسیاری از روشهای مرسوم تولید و نیاز کمتر به نیروی انسانی است. خودکار بودن این فرایند نیاز به مکانیزمهای خارجی همچون موتورها یا لولاها را برطرف کرده و امکان دستیابی به طراحیهای کارآمدتر و فشردهتر را فراهم میآورد.
با این حال، شاید بزرگترین توانمندی آن استفاده از مواد هوشمندی باشد که نسبت به محرکهای خارجی واکنش نشان میدهند. افزودن عنصر زمان در این فناوری موجب میشود سازهها حتی مدتها پس از ساخته شدن بتوانند تغییر کرده و با شرایط جدید سازگار شوند.
با وجود تمام این قابلیتها، باید یادآور شد که این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد و تا رسیدن به بلوغ کامل تجاری فاصله زیادی دارد. این حوزه همچنان نوظهور است و منابع پژوهشی و دستورالعملهای محدودی برای پشتیبانی از گسترش آن در دسترس قرار دارد. در عین حال، از آنجا که اشیای چاپشده با چاپ چهار بعدی برای حرکت و واکنش به تغییرات طراحی میشوند، فرآیند طراحی آنها بسیار پیچیدهتر از چاپ سهبعدی سنتی است. دلیل این امر نیاز به برنامهنویسی پیشرفته و الگوریتمهای پیچیده برای کنترل واکنش مواد به محرکهاست.
دادههای موجود نشان میدهند که موادی مانند پلیمرهای حافظهدار و هیدروژلها همچنان گرانقیمت و دشوار برای تولید انبوه هستند. در همین زمان، سیستمهای چاپ چهار بعدی نیز با محدودیت در دسترس بودن و توانمندی مواجهاند. پرسشهایی درباره دوام طولانیمدت این مواد در برابر محرکهای تکرارشونده همچنان بیپاسخ باقی مانده است. این فرآیند همچنین با چالشهایی در دقت روبهرو است، زیرا نوسان در بهینهسازی پارامترها میتواند بر کنترل شکل و اندازه تأثیر بگذارد. در نهایت، به دلیل نبود استانداردهای صنعتی مشخص، گسترش این فناوری برای استفاده فراگیر هنوز چالشی بزرگ به شمار میرود.
با وجود تمام این موانع، چاپ چهار بعدی به طور گسترده به عنوان فناوری نویدبخش در نظر گرفته میشود و پژوهشهای مداوم و حمایت پررنگ متخصصان نشان از چشمانداز مثبت آن دارند. پژوهشگران همچنان نسبت به تأثیر آینده این فناوری در صنایع مختلف خوشبین هستند. لنگ گفت: «علم مواد در حال تحول بوده و آینده تنها در ساخت سازههای مقاومتر یا سبکتر خلاصه نمیشود، بلکه هدف آفرینش موادی است که قادر به تفکر و انجام همزمان چندین وظیفه باشند.»
بر اساس گزارش شرکت Polaris Market Research که یکی از ارائهدهندگان برجسته تحلیلهای صنعتی است، بازار چاپ چهار بعدی به شکل پیوسته در حال رشد بوده و این رشد عمدتاً از پیشرفتهای حوزه هوافضا و صنایع دفاعی نیرو میگیرد. علاوه بر این، بهکارگیری فناوری حافظهدار برای سامانههای خودتنظیم به عنوان عاملی کلیدی در پیشبرد بازار مطرح شده است.
ارزش بازار جهانی چاپ چهار بعدی در سال ۲۰۲۳ برابر با ۱۵۶.۸ میلیون دلار برآورد شده و پیشبینی میشود تا سال ۲۰۳۰ به ۱.۳ میلیارد دلار برسد. این روند به معنای نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) معادل ۳۵.۸ درصد در طول این دوره زمانی است.
برای مهندسان، پیام روشن است: چاپ چهار بعدی صرفاً یک نوآوری سطحی یا ارتقای تدریجی چاپ سهبعدی محسوب نمیشود. با جای دادن قابلیت سازگاری در بطن مواد طراحی، این فناوری نشاندهنده تغییری بنیادین در مسیر تولید اجزایی است که نهتنها در زمان وجود دارند، بلکه همراه با آن تغییر میکنند.
