پرینت سه بعدی CERAMIC/BIO

پرینت سه بعدی CERAMIC/BIO یا روبوکستینگ فرآیندی است که پیدایش آن به اواسط دهه ۹۰ میلادی در آزمایشگاه ملی سندیا برمی‌گردد. در این روش، یک فیلامنت خمیر شبه پلاستیک که حاوی ذرات سرامیکی است از طریق نازل اکسترود شده و شی مورد نظر را می‌سازد و همزمان نیز یک کامپیوتر با دریافت دستوراتی از مدل CAD، موقعیت نازل را کنترل می‌کند. 

به دلیل شباهت ظاهری با پرینترهای دو بعدی، اغلب از خمیر شبه پلاستیکی با نام جوهر یاد می‌شود که ممکن است باعث سردرگمی شود. اشیاء در این روش به روش لایه‌گذاری ساخته می‌شوند؛ به این صورت که نازل برای تکمیل هر بخش از روی مدل CAD، خمیر را با الگوی مناسب اکسترود می‌کند. از این نظر روبوکستینگ شباهت زیادی با FDC دارد اما با این تفاوت که به جای انجماد ماده پس از اکسترود، شکل قطعه با یک ماده شبه خمیری حفظ می‌شود. 

دقت نازل‌های مورد استفاده برای اکسترود خمیرهای سرامیکی به ۳۰ میکرومتر و برای خمیرهای پلیمری به ۱ میکرومتر می‌رسد. امکان استفاده از نازل‌های بزرگ‌تر ( ۱ میلی‌متر) نیز در این فرآیند وجود دارد که سرعت ساخت قطعه را در مقایسه با فرآیندهای ساخت افزایشی دیگر به اندازه قابل توجهی بالا می‌برند. در FDC، تولید برخی ویژگی‌های برآمده و پوشش‌دهنده خاص و همینطور همه ویژگی‌های متحرک با دشواری‌هایی همراه است.

تعدادی از فناوری‌های پرینت سه بعدی تا حد زیادی با روبوکستینگ مرتبط هستند، اما هنوز مشخص نیست که بر اساس چه مشخصه‌ای باید یک روش جداگانه را از یک طبقه‌بندی خاص متمایز ساخت. نمونه‌هایی از این امر عبارت هستند از «ساخت و تولید از طریق اکستروژن با شکل منجمد» (FEF)، «ساخت و تولید از طریق اکستروژن با شکل آزاد» (EFF) و «اکستروژن سرامیک بر حسب تقاضا» (CODE). 

در FEF، بستر تا زیر نقطه انجماد خمیر سرد می‌شود به طوری که آب درون قطعه پرینتی یخ می‌زند و استحکام بدنه خام آن را بالا می‌برد. در EFF، خمیر همچون مونومر است و بستر به حدی گرم می‌شود که این مونومر به محض تماس با آن پلیمریزه شود؛ در اینجا نیز پلیمریزاسیون به استحکام قطعه خام می‌افزاید. در روش CODE هر لایه پیش از لایه‌نشانی لایه بعدی خشک می‌شود و برای آنکه کناره‌های آن به طور غیر یکنواخت خشک نشود، اطراف آن به صورت همزمان در روغن غوطه‌ور می‌شود.

پرینت سه بعدی CERAMIC/BIO

پرینت سه بعدی CERAMIC/BIO
شکل ۱۸. ساختارهای متخلخل از جنس SiC که با روبوکستینگ تولیده شده‌اند.

ساختار قطعات پرینت سه بعدی CERAMIC/BIO

بزرگ‌ترین محدودیت پرینت سه بعدی سرامیک- بایو  در میزان جزئیات (رزولوشن) و پیچیدگی ممکن در قطعات پرینتی است. «رزولوشن» را می‌توان با تعاریف مختلفی بیان کرد، اما معمولا ارتباط تنگاتنگی با اندازه نازل دارد. بنابراین، برای ارتقای رزولوشن باید از نازل‌هایی با قطر کوچک‌تر استفاده کرد اما از سوی دیگر با این کار، زمان ساخت و فشار اکستروژن به صورت تصاعدی افزایش می‌یابد. به همین خاطر، معمولا قطر نازل‌هایی که برای خمیرهای سرامیکی معمولی به کار می‌روند از ۲۰۰ میکرومتر کوچک‌تر نمی‌شود. پس با نظر به رویکردهایی که مطرح شد، مقیاس طولی کوچک‌ترین ویژگی قابل پرینت به حدود ۲۰۰ میکروکتر محدود می‌شود و زبری سطح نیز به دلیل لبه‌ها از مقدار مشابهی برخوردار خواهد بود. از منظر مقایسه، LCM  دارای رزولوشن ۴۰ میکرومتر در صفحه ساخت x-y، ۲۵ میکرومتر در جهت عمودی ساخت و زبری سطح ۰.۳۶ میکرومتر است.  در LCM، استحکام بدنه خام زیاد است، بنابراین امکان تولید برآمدگی‌های بزرگ و ویژگی‌های پوشش‌دهنده نیز وجود دارد؛ اما در روبوکستینگ، استحکام بدنه خام به هنگام پرینت به خواص ویسکوالاستیک خمیر برمی‌گردد که تولید چنین ویژگی‌هایی را دشوار می‌سازد. به همین خاطر، قطعاتی که با روبوکست تولید می‌شوند اغلب عاری از جزئیات هستند و به ندرت پیش می‌آید که به شکلی غیر از شکل‌های ساده و ابتدایی مانند شبکه، مربع، استوانه‌ای و گلدان‌های تک جداره یافت شوند. قطعاتی که در شکل‌های ۲۵ و ۲۶ دیده می‌شوند، از پیچیده‌ترین شکل‌هایی هستند که تا کنون به روش روبوکستینگ تولید شده‌اند. بی‌شک این امر بزرگ‌ترین نقطه ضعف روبوکستینگ در مقایسه با روش‌های ساخت افزایشی دیگر است و باید تا پیش از آنکه روبوکستینگ به عنوان یک روش کلی و کارآمد برای ساخت افزایشی سرامیک شناخته شود، به این موضوع توجه کرد.

پرینت سه بعدی CERAMIC/BIO
شکل ۲۵. عکس‌های: a) یک قطعه از جنس ZrO2 که با LCM تولید شده است و b) وسایل آزمایشگاهی از جنس Al2O3 که با روبوکستینگ تولیده شده‌اند. در این تصاویر، تفاوت دو روش روبوکستینگ و LCM از نظر رزولوشن و قابلیت تولید قطعات پیچیده به خوبی نمایش داده شده است.
پرینت سه بعدی CERAMIC/BIO
شکل ۲۶. یک نمونه از قطعاتی که به ندرت با روبوکستینگ تولید می‌شود؛ برای تولید این قطعه، با استفاده از یک ابزار چندماده‌ای، یک ماده قربانی برای تقویت پرینت شد (در این مورد، خمیری بر پایه کربن سیاه).

کاربردهای پرینت سه بعدی سرامیکی / بایو

در حال حاضر، پرینت سه بعدی CERAMIC/BIO تا حد زیادی به محدوده کاربردهای تجاری خودش محدود می‌شود. بیشترین کاربرد این روش تا کنون در تولید داربست‌های به سبک چوب است. در میان همه فناوری‌های ساخت افزایشی، پرینت سه بعدی سرامیک- بایو بیش از همه برای تولید این نوع هندسه مناسب است به طوری که با استفاده از آن می‌توان ساختارهای سه بعدی باربر را با کنترل تخلخل، سرعت بالا و هزینه نسبتا پایین تولید کرد و در حال حاضر نیز در این زمینه استفاده تجاری دارد. تصور می‌شود که این نوع داربست‌ها می‌توانند در زمینه مهندسی بافت، به ویژه پیوندهای استخوانی زیست سازگار، نقش مهمی ایفا کنند و استحکام فشاری آن‌ها با همان میزان تخلخل از فوم‌های کاتوره‌ای بیشتر باشد؛ با وجود چنین ویژگی‌هایی، داربست‌ها به خون و بافت‌های طبیعی اجازه گردش و رشد درونی می‌دهند که در هنگام جراحت کمک خواهد کرد. 

در موارد دیگر تلاش شده است که از این داربست‌ها برای فیلتراسیون در جایی که مقاومت گرمایی زیادی نیاز باشد، به عنوان پشتیبانی کاتالیزور برای بیشینه کردن مساحت سطح و همچنین به عنوان یک فاز تقویت شده در کامپوزیت‌هایی با فازهای در هم رفته استفاده شود (پس از نفوذ به همراه پلیمرها و آلیاژها). در حال حاضر لوازم آزمایشگاهی ساده از جنس آلومینا با روش پرینت سه بعدی سرامیک- بایو یا روبوکستینگ تولید شده و به صورت تجاری در دسترس است.

همچنین برای آشنایی بیشتر با پروژه هایی که در حوزه پرینت سه بعدی سرامیکی انجام شده می توانید این لینک را مشاهده بفرمایید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *