محققان ETH Zürich مواد مرکب در روشی برای طراحی مواد کامپوزیت با ویژگی های دقیق ریزساختاری جهت پرینت سه بعدی ابداع کردند که این ویژگی ها تنها در مواد بیولوژیکی رشد کرده در طبیعت موجود است .
با استفاده از این مواد مرکب مغناطیسی کمکی سیستم پرینت سه بعدی (چاپ MM-3D)، این تیم فراتر از قابلیت سه بعدی رفته تا به فضای طراحی پنج بعدی دست یابند.
نتایج حاصل از این روند دستگاه های چند منظوره شکل دهی است که می توانند برای ایجاد وسایل مکانیکی جهت اتصال قطعات در بدن انسان مانند تاندون ها و عضلات، و یا برای سیستم های انعطاف پذیر رباتیکی مورد استفاده باشند.
به گفته محققان، امکان ترکیب مواد مختلف در یک جسم تنها با پرینت سه بعدی اجسامما را قادر می سازد تا اجسامی پویا و قابل برنامه ایجاد کنیم، اگر چه این مطلب در گذشته با جوهری مملو از مواد کاتدی و آندی برای سیم کشی مستقیم از میکروباتری‌های لیتیومی یونی مشاهده شد و یا مواردی مانند ترکیب سلول ها با هیدروژل زیست سازگار به منظور بررسی امکان بازسازی بافت ها.
آنها تشریح کردند که این طرح های سه بعدی چاپی اغلب شبیه روش استفاده شده توسط سلول های زنده بیولوژیکی هستند ، با این حال هنوز ساختارهای ابداعی انسان قادر به رسیدن به چنین پیچیدگی نیست:
ترکیب مستقل و کنترل بافت ، سلول های زنده ای با حداقل دو درجه آزادی در مقایسه با فرایند پرینت سه بعدی را تامین می کند.
با الهام از معماری ناهمگن موجود در مواد طبیعی از قبیل گیاهان که در پاسخ به تغییرات محیط زیست تغییر شکل می دهند، محققان راهی برای تولید مواد افزودنی ابداع کرده اند که برنامه نویسی و ساخت ریزساختار مصنوعی را در یک فضای طراحی پنج بعدی میسر می سازد. علاوه بر قابلیت های شکل دهی سه بعدی مواد افزودنی ، چنین فضای طراحی شامل کنترل نقاطی از ترکیب (+۱D) و جهت گیری ذرات (+۱D) است.
نقشه ها از پلت فرم پرینت MM-3D برای ساخت مواد مرکب ناهمگن.
ما در گذشته چاپ چهار بعدی را دیدیم ، برای مثال سازه های پیچیده خود تاشو با پرینت سه بعدی پلیمر ، با این حال به منظور دستیابی به برنامه ریزی پنج بعدی ، محققان سوئیسی جوهر را همراه با ذرات مغناطیسی واکنش پذیر که در رزین مایع حساس به نور معلق هستند استفاده کردند. سپس با استفاده از چاپگر سه بعدی ارتقا یافته regenHU 3DDiscovery جوهر را ته نشین کردند .
پرینتر سه بعدی سفارشی با چهار سرنگ مستقل و آدرس پذیر تجهیز شده است که با جوهرهائی با فرمولاسیون های مختلف شارژ می شوند. واحد ترکیب و توزیع بصورت یکپارچه قادر است بصورت تدریجی تغییری در ترکیب جوهر ایجاد کند.
همچنین برای جوهر، دو جوهر جداگانه با رفتارهای رئولوژیکی مجزا مورد استفاده قرار گرفت: یک جوهر ویسکوالاستیک شکل پذیر برای تولید لبه بیرونی؛ و یک بافت جوهری با ویسکوزیته پایین چاپ شده در خطوط.
اجسام چاپ شده با سیستم MM-3D بصورت مارپیچی . ظاهر جوهر به رنگ خاکستری نشان داده شده، در حالی که بافت جوهر به رنگ بژ نشان داده شده. ورق های سیاه طرح‌دار ماسک های لیتوگرافی را نمایش می دهند.
برای اثبات توانایی خود در دستیابی به جهت دهی ، ترکیب ، و کنترل فرم دهی با پلت فرم چاپ MM-3D، محققان یک جسم سه بعدی دارای پیچیدگی هندسی و ساختاری ناهمگن بی نظیر را چاپ کردند:
به نام مارپیچ ، جسمی که در سطح خارجی دارای انحنای محدب و مقعر است و پلاکت ها به صورت متمرکز در قالب یک پلکان مارپیچی که از پایین به بالا ادامه یافته اند و هموار با سطوح بیرونی مقعر و محدب جسم سه بعدی مطابقت دارند .
کل جسم تنها ۱۸میلی متر ارتفاع با مرکز دایره ای به قطر ۱۶میلی متر و راس دایره ای به قطر ۱۰ میلی متر و ، با ۶۰ لایه دایره ای در کل. پیچیدگی شدید و مقیاس کوچک از جسم سه بعدی چاپ شده نشان می دهد که این وسیله دست ساز در حال نزدیک تر شدن به هندسه ای پیچیده و کارآمد از مواد بیولوژیکی و سیستم های گیاهی است.
محققان قادر به ساخت قطعات چفت و بست مکانیکی انعطاف پذیر و رابط های قفل و کلید تغییرپذیر بودند.
در حالی که ویژگی های متعدد دیگر قابل پیش بینی هستند ، ما نمونه هائی ارائه کردیم که در آن تغییر شکل مواد مرکب ناهمگن موجب ساخت اتصال دهنده های مکانیکی انعطاف پذیر است که با اصول نامرسوم کار می کنند. راهکار پیشنهادی نیاز به هیچگونه پیوند شیمیایی ندارد و صرفا متکی به ارتباط مکانیکی بین قطعات ناشی از تغییر شکل برنامه ریزی شده سیستم چفت و بست است.
آنها پیشنهاد کردند که سیستم چفت و بست می تواند یک وسیله مکانیکی جالب برای اتصال قطعات در بدن انسان مانند تاندونها و عضلات باشد ، در حالی که اتصالات قفل مجدد میتوانند به عنوان مفاصل مستقل انعطاف پذیر ، بلوک های ساختمانی انعطاف پذیر با اتصال ضربه ای، و همچنین سیستم انتخابی ربات های انعطاف پذیر مورد استفاده قرار بگیرند.
این مطالعات توسط Dimitri Kokkinis ، Manuel Schaffner و André R. Studart رهبری می شد و توسط بخش پژوهش های علمی نیروی هوایی ایالات متحده مورد پشتیبانی قرارگرفت همانند مرکز صلاحیت پژوهش ملی سوئیس(NCCR) برای مواد زیستی الهام گرفته وETH Zürich.
فضای طراحی گسترده ارائه شده توسط پلت فرم پیشنهادی MM-3D ، مجموعه ای از ابزارهای موجود برای طراحی و ساخت قطعات اساسی را بواسطه تکنولوژی ساخت مواد افزودنی تا حد زیادی گسترش می دهد . محققان اعلام کردند:
اکتشاف بیشتر از چنین قابلیت های تولید ما را قادر می سازد تا برخی از ویژگی های منحصر به فرد ریزساختاری مواد بیولوژیکی سیستم های مصنوعی را بیشترو بهتر تکرار کنیم .
با استفاده از اصول طراحی زیستی به عنوان راهبردی در چنین فضای پارامتری گسترده احتمال توسعه نسل جدیدی از مواد کامپوزیتی هوشمند با خواص و ویژگی های بی نظیر را با استفاده از منابع زیست سازگارتر تسریع خواهد کرد.
