در این مقاله می‌خواهیم به معرفی پرینت چهاربعدی بپردازیم. اولین سوالی که ممکن است برایتان ایجاد شود این است که پرینت چهاربعدی چیست؟ تا کنون نام پرینت سه‌بعدی به گوش همه خورده است. حتی اگر شناخته‌شده نباشد، نامش شنیده شده  و مخاطب تصوراتی از آن دارد. درباره‌ی پرینت سه‌بعدی گفته شده  که طرح‌های دیجیتال را تبدیل به اجسام فیزیکی می‌کند و این کار را به صورت ساخت لایه‌لایه انجام می‌دهد.

پرینت چهاربعدی تکنولوژی جدیدی است که بسیاری هنوز نامش را هم نشنیده‌اند! در مقاله‌ی زیر با ما همراه باشید تا با مفهوم و مکانیزم پرینت چهاربعدی آشنا شوید.

پرینت چهاربعدی چیست؟

پرینت چهاربعدی بر پایه‌ی تکنولوژی تولید افزایشی بنا شده است اما یک تفاوت بزرگ دارد. این تکنولوژی از مواد خاص و طراحی‌های پیچیده استفاده می‌کند. این مواد طوری برنامه‌ریزی شده‌اند که پرینت سه‌بعدی را وادار به تغییر شکل می‌کنند! اساسا، پرینت چهاربعدی را می‌توان نسخه‌ای جدید و نوسازی شده از پرینت سه‌بعدی به حساب آورد که در آن از مواد خاصی استفاده می‌شود تا محصول پس از تولید، تغییر شکل دهد. محرک تغییر می‌تواند آب، گرما، باد یا دیگر گونه‌های انرژی باشد. در صحبت راجع به پرینت چهاربعدی معمولا مواد و اجزاء هوشمند مورد بحث هستند. این مواد هوشمند قادر به مونتاژ، اصلاح و برنامه‌ریزی مجدد خودشان هستند. به عنوان مثال، به متریال پرینت چهاربعدی انرژی وارد می‌کنید و آن تغییر می‌کند یا آن را در آب می‌اندازید و شکل آن عوض می‌شود.

• پرینت چهاربعدی با افزودن قابلیت‌های دینامیک در خود ماده، یک گام فراتر از طراحی ثابت اشیا رفته است.
• با پرینت چهاربعدی، فرآیندهای ساخت ساده‌تر از پرینت سه‌بعدی می‌شود. ساختارهای بسیار ساده را می‌توان پرینت گرفت و سپس توسط محرک‌های خارجی به فعالیت درآورد تا به ساختارها و سیستم‌های پیچیده تغییر یابند.
• طرح‌ها و برنامه‌ها جهان ما را به واسطه پرینتر چهاربعدی، دیجیتالی خواهند کرد. توانایی بردن مجموعه‌ای از واکسل‌ها (کوچکترین جز ساختاری یک تصویر سه‌بعدی) به هر مکانی در جهان، دسترسی به برنامه در سامانه‌ی ابری، و سپس هدایت آن واکسل‌ها برای تشکیل یک شی چندنقشی،‌ ارائه‌کننده تغییری در چرخه‌ی طراحی تا تولید است.

تمایز مواد مورد استفاده در پرینت چهاربعدی با پرینت سه‌بعدی

چیزی که این روش را از حالت سه‌بعدی متمایز می‌کند، استفاده از  بعد چهارم است. ویژگی‌ای که باعث می‌شود سازه‌ها بتوانند شکلشان را با گذشت زمان تغییر دهند. به همین دلیل نیاز به وجود موادی منحصر به فرد و طراحی‌هایی ویژه است. نیاز به طراحی برنامه‌هایی جدید برای خلق سازه‌هایی 3 بعدی است که بتوانند در برابر وجود محرک خارجی مثل گرما، آب یا نور تغییر شکل بدهند.

مواد مورد استفاده در پرینت چهاربعدی

مواد هوشمند می‌توانند از مواد مختلفی مثل هیدروژل‌ها یا پلیمرهای حافظه‌دار ساخته شوند. این مواد قابلیت تغییر شکل و خواص را تحت شرایط برنامه‌ریزی شده مختلف دارند. هیدروژل‌ها می‌توانند مقدار زیادی آب را درون خود ذخیره کنند. همچنین می‌توانند تحت وجود محرک‌های خارجی منقبض شده یا انبساط پیدا کنند یاپس از تغییر شکل به حالت اولیه خود بازگردند.

هیدروژل

نوع خاصی از جوهر هست که در برخورد با آب تغییر حالت می‌دهد و به آن هیدروژل می‌گویند. جوهر هیدروژل به اشیایی که روی آن‌ها چاپ شده است اجازه می‌دهد تا ساختار جدیدی بگیرند. ریزساختارهای بافتی و ترکیبات گیاهان مختلف نسبت به شرایط محیطی تغییر می‌کنند.

یک انستیتو، این روند گیاهی را با ساخت هیدروژل پرینت چهاربعدی شبیه‌سازی کرده است. اجزای آن طوری برنامه‌ریزی شده‌اند که به مقدار دقیق ورم کنند و با این کار به گل‌های چاپ شده اجازه می‌دهند که در برخورد با آب و شرایط محیطی تغییر کنند.

اجزای آن شامل یک سری فیبریل‌های خاص سلولوزی هستند که از چوب گرفته شده‌اند. این فیبریل‌ها می‌توانند تغییراتی را که گیاهان در برابر رطوبت و دما و دیگر محرک‌های محیطی از خود بروز می‌دهند را تقلید کنند.

این پیشرفت بزرگی است.  اجازه می‌دهد از موادی با اجزای مختلف برای فرآیند پرینت استفاده شود تا نتایج هندسی خاص، دقیق و قابل اندازه‌گیری به دست بیاید. این نتایج می‌تواند در صنایع مختلف که در آینده از این تکنولوژی بهره خواهند برد استفاده شود.

مثالی از کاربرد پرینت چهاربعدی

تصور کنید جعبه‌ای دارید که با پرینت سه‌بعدی ساخته شده است.  تصور کنید این جعبه می‌توانست تحت تاثیر برخی محرک‌ها، به صورت خودکار باز و مسطح شود. شاید تبدیل یک جعبه از حالت سه‌بعدی به حالت دوبعدی توسط خودش عجیب به نظر برسد. اما تاثیرات آن در دنیای تجارت می‌تواند بسیار زیاد باشد.

یک شرکت حمل و نقل را در نظر بگیرید که برای تمام بسته‌های خود یک انبار دارد. هر موقع که این شرکت حمل و نقل محموله باری را دریافت می‌کند، کالا را از داخل جعبه‌ها خالی می‌کنند تا به دست گیرنده اصلی برسانند. سپس جعبه‌ها را صاف و مسطح می‌کنند تا برای استفاده مجدد به نقطه مبدا مرجوع کنند.

حال تصور کنید که این شرکت روزانه حدود پنج هزار کامیون بار تحویل می‌گیرد. یعنی باید 20 نفر را فقط برای باز و مسطح کردن جعبه‌ها استخدام کنند. با حقوق 30 هزار تومان در ساعت و با در نظر گرفتن 7 ساعت کار در روز، شرکت باید روزانه 4 میلیون و 200 هزار تومان به کارگران ساده پرداخت کند.
با داشتن جعبه‌هایی که تحت تاثیر یک محرک به صورت خودکار مسطح می‌شوند، شرکت می‌تواند سالیانه حدود 1 میلیارد و 400 میلیون تومان صرفه‌جویی کند. این تنها یک مثال از فواید پرینت چهاربعدی بود.

مکانیزم پرینت چهاربعدی

در پرینت چهاربعدی، برای شروع دگرگونی نیاز به یک محرک  است. این محرک می‌تواند  آب، گرما، نور یا جریان الکتریکی باشد. برخی دیگر از محرک‌ها نیز وجود دارند که باید روی آن‌ها تحقیقات عمیق‌تری صورت گیرد.

برای بعضی از فرآیندهای پرینت چهاربعدی، نیاز به مواد خاصی داریم. این مواد باید  توانایی واکنش به این محرک‌ها را داشته باشند. این باعث می‌شود که اجسام قابل «برنامه‌ریزی» باشند. هر زمان که محرک را فعال کنید، «کد ژنتیکی» پرینت سه‌بعدی آن‌ها اجرا شود.

دیگر آزمایشگاه‌های تحقیقاتی روی برنامه‌ریزی تبدیل شکل جسم به ساختارهای میکرومواد استاندارد، متمرکز شده‌اند. این رویکرد امکان استفاده از قابلیت‌های کشف شده در ساختارهای میکروسکوپی را می‌دهد.

زمانی که پیکربندی آن‌ها به درستی انجام شد، شکل مطلوب دگردیسی ساختارهای ماکرو به دست می‌آید. مزیت این کار این است که اجسامی که پرینت چهار بعدی شده‌اند می‌توانند در پرینترهای سه بعدی و مواد موجود هم استفاده شوند. با توجه به این که پرینت چهاربعدی یک تکنولوژی نوظهور است، هنوز معایبی وجود دارد که از تجاری شدن آن جلوگیری می‌کند. برای مثال، استفاده از مواد جامد دشوار است و به پنج مرحله نیاز است تا برای استفاده آماده شود.

پیشرفت‌های اخیر پرینت چهاربعدی

موسسات و شرکت‌های بسیاری هستند که در حال حاضر بر روی اشکال پرینت شده 4 بعدی و کاربردهای آن‌ها تحقیق می‌کنند. آزمایشگاه دانشگاه MIT یکی از معروف‌ترین مراکز جهان است که در زمینه توسعه و طراحی تکنولوژی‌های خودترمیم‌شوندگی و مواد قابل برنامه‌ریزی فعالیت می‌کند تا طراحی، تولید و عملکرد آن‌ها را بهبود ببخشد.

تخته‌هایی که به مبل تبدیل می‌شوند!

یک آزمایشگاه اخیرا فعالیت‌های خود را بر روی نوعی از چوب‌های قابل برنامه‌ریزی به اجرا درآورده است. این چوب‌ها می‌توانند جهت ساخت مبلمان خودترمیم‌شونده توسعه داده شوند. بدین صورت می‌توانید تخته‌ای پرینت شده به صورت 4 بعدی را تصور کنید که با اضافه کردن مقداری آب یا کمی حرارت دادن می‌تواند به یک صندلی تبدیل شود.

فلکه‌های آب هوشمند

محققین در دانشگاه Wollongong استرالیا موفق به تولید فلکه‌های آبی شده‌اند که با قرارگیری در معرض آب داغ، بسته شده و با استفاده از آب سرد مجددا باز می‌شوند. این فلکه‌ها از جوهرهای هیدروژلی استفاده می‌کنند که با قرارگرفتن در معرض حرارت واکنش نشان می‌دهند.

استنت‌های هوشمند

پرینت چهاربعدی می‌تواند در بایوتکنولوژی به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، استنت‌های پرینت شده چهاربعدی می‌توانند درون رگ‌ها قرار گیرند. توسط جریان خون جابه‌جا شده و در مکان مناسب باز شوند. این تکنولوژی هم چنین می‌تواند در تولید کپسول‌های دارویی مورد استفاده قرار بگیرد؛ این کپسول‌ها با جابه‌جایی و انتقال به محل مناسب باز می‌شوند و دارو را به مکان مورد نظر تزریق می‌کنند.

داربست‌های استخوانی

در مثالی دیگر می‌توان به تولید رزین‌های مایع قابل پرینت چهاربعدی توسط محققین دانشگاه George Washington اشاره کرد. این رزین‌ها با استفاده از نور پخته می‌شوند. این رزین‌ها از ترکیبات اکریلات اکسید‌شده روغن سویا مشتق شده‌اند و می‌توانند به عنوان داربست برای رشد سلول‌های بنیادین استخوانی مورد استفاده قرار گیرند.

 آینده در دستان تکنولوژی پرینت چهاربعدی

همان‌طور که در این مقاله خواندید، تکنولوژی پرینت چهاربعدی کاربردهای متنوعی دارد. انتظار می‌رود همانند تکنولوژی چاپ سه‌بعدی بتواند انقلابی در عرصه ساخت و تولید ایجاد کند. اگرچه این تکنولوژی هنوز در ابتدای مسیر خود است و زمان زیادی می‌برد تا به صورت فراگیر در دسترس قرار گیرد، اما بدون شک به کارگیری مواد هوشمند تحولی بسیار جذاب در عرصه علم و مهندسی مواد خواهد بود.