مهندسان LLNL و Meta در حال توسعه یک ماده پرینت سه بعدی با پتانسیل برای پوشیدنی های واقعی تر هستند.

Newswise – مهندسین و شیمیدانان در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) و متا نوع جدیدی از مواد پرینت سه‌بعدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند ویژگی‌های بافت بیولوژیکی را تکرار کند، پیشرفتی که می‌تواند آینده «بشریت افزوده» را تحت تأثیر قرار دهد.

که در کاغذ اخیرا در مجله منتشر شده است موضوعمحققان LLNL و Meta چارچوبی را برای ایجاد یک رزین چاپ سه بعدی “یک گلدانی” توصیف می کنند که در آن از نور برای الگوبرداری از گرادیان های صاف در سفتی تا شیب های تقریبی موجود در زیست شناسی، مانند محل برخورد استخوان با ماهیچه ها استفاده می شود. این چارچوب به یک چالش کلیدی در توسعه پوشیدنی‌های واقعی‌تر می‌پردازد: «عدم تطابق مکانیکی». در حالی که بافت‌های طبیعی نرم هستند، دستگاه‌های الکترونیکی معمولاً از مواد سخت ساخته می‌شوند و مونتاژ چنین دستگاه‌هایی با استفاده از وسایل سنتی می‌تواند دشوار و زمان‌بر باشد.

این تیم این ماده را با توسعه یک خط بریل پرینت سه بعدی قابل پوشیدن روی انگشت نشان دادند که می‌تواند پیام‌های متنی را در لحظه با پر کردن دستگاه با هوا در نقاط استراتژیک به خط بریل «ترجمه» کند.

Sijia Huang، نویسنده اصلی و مهندس LLNL توضیح داد: «برای مهندسان بسیار دشوار است که مواد نرم‌تر ترکیب شده با مواد سخت‌تر که در طبیعت رایج است، به دست آورند. مهندسان یک قطعه سخت و یک بخش دیگر را نرم می‌سازند و سپس آنها را به هم می‌چسبانند، بنابراین ما یک رابط بسیار تیز داریم که خواص مکانیکی را به خطر می‌اندازد. این کار بررسی می‌کند که آیا ما می‌توانیم شیب‌های مکانیکی نرم به سخت پیوسته را در یک سیستم رزین واحد مهندسی کنیم. در اینجا، ما هر چیزی را که می بینیم چاپ می کنیم، به سادگی با استفاده از دوز نور برای کنترل ماژول.”

هوانگ گفت این تکنیک با دستکاری شدت نور اعمال شده به رزین فوتوپلیمر از طریق فرآیند چاپ سه بعدی Digital Light Processing – تکنیکی لایه به لایه که می تواند به سرعت قطعات را با پرتاب نور به رزین مایع تولید کند – برای تعدیل مواد پلاستیکی ته نشین شده کار می کند. . شدت نور کمتر منجر به یک ماده نرم تر می شود، در حالی که شدت نور بیشتر منجر به یک ماده سخت تر می شود.

برای نشان دادن پتانسیل، مهندسان متا از این ماده برای پرینت سه بعدی یک نمایشگر بریل ارزان قیمت استفاده کردند که می‌توان آن را روی یک انگشت قرار داد و به تلفن هوشمند و پمپ هوا متصل کرد. وقتی متن از طریق تلفن مخابره می‌شود، قسمت‌هایی از دستگاه پوشیدنی پر از هوا می‌شود و باعث تغییر شکل آن و ایجاد حروف بریل می‌شود و به یک فرد نابینا اجازه می‌دهد تا متن را از طریق دستگاه “بخواند”. هوانگ گفت، برای اینکه دستگاه بتواند کار کند، محققان مجبور شدند سفتی یک دستگاه را طوری تغییر دهند که وقتی هوا به داخل دستگاه پمپ می شود، تغییر شکل متفاوتی پیدا کند.

Huang، یکی از همکاران فوق دکتری Lawrence در بخش مواد مهندسی LLNL، این پروژه را به عنوان یک کارآموز در Meta’s Reality Labs در سال 2019 با هدف ایجاد ابزارهای پوشیدنی از موادی که می تواند در مدول متفاوت باشد، اما می تواند از یک قطعه ایجاد شود، آغاز کرد. او قبل از تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد روی آن کار کرد و پس از استخدام در LLNL از طریق کمک هزینه تحصیلی لارنس، متوجه شد که مدیر قدیمی او در Meta، نویسنده همکار مقاله، توماس والین، همکاری با LLNL را آغاز کرده است. به طور تصادفی، هوانگ توانست این پروژه را در آزمایشگاه به پایان برساند.

هوانگ گفت: «یک ویژگی زیبای تولید افزودنی این است که ما می‌توانیم این ساختارهای غیرممکن را ایجاد کنیم، اما از نظر خواص مواد نیز تا حدودی محدود هستیم – ما فقط مقدار مشخصی از مواد را برای انتخاب داریم. یکی از انگیزه‌های اولیه این بود که «اگر می‌توانستیم همان سیستم رزینی را داشته باشیم و با تنظیم شدت نور، سیستم‌های پلاستیکی مهندسی را بدون زحمت تکرار کنیم؟» ویژگی‌های جدید مواد چه می‌شد.

این ماده تا حدود 200 برابر خواص اولیه خود قابل کشش است و با افزایش گرادیان آن از نرم به ماده سخت تر، استحکام آن 10 برابر افزایش می یابد. هوانگ گفت این ماده می تواند برای مواد جاذب انرژی، روباتیک نرم و دستگاه های الکترونیکی پوشیدنی طراحی شود.

هوانگ گفت: «یکی از الزاماتی که ما می‌خواهیم برای پوشیدنی‌ها به آن توجه کنیم، نیاز به یک ماده ثابت در دراز مدت است. «آنچه این کار را متمایز می کند، نشان دادن پایداری مواد در شرایط نور و محیط است. ما در واقع مواد خود را در معرض اشعه ماوراء بنفش (UV) قرار می دهیم تا رفتار آنها را در دوره های طولانی قرار گرفتن در معرض مشاهده کنیم. استفاده از تکنیک‌های پخت UV منجر به کاهش شیب مکانیکی در طول زمان می‌شود، بنابراین این نشان می‌دهد که ماده ما چقدر پایدار است.

این پیشرفت مهم است زیرا پلاستیک ها معمولاً در مقایسه با برخی از مواد دیگر مانند فلزات، برای حفظ عملکرد در دوره های طولانی از سال ها تا دهه ها تلاش می کنند. ماکسیم شوستف، یکی از نویسندگان این مقاله، رهبر گروه در بخش مواد مهندسی، می‌گوید: برای پلاستیک‌های پرینت سه‌بعدی، این حتی زمانی که هندسه‌های ظریف غیرممکنی را می‌توان چاپ کرد، چالش بیشتری است. این مقاله پیشرفت قابل توجهی را برای مواد پلیمری با سختی متغیر با پایداری طولانی مدت توصیف می کند. این نتایج، تمرکز مأموریت LLNL را برای کشف و توسعه مسیرهای جدید رو به جلو در هر دو روش تولید و مواد مرتبط افزایش می دهد.

سایر نویسندگان این مقاله شامل محققان LLNL، Johanna Schwartz، Steven Adelmund و Pradeep Pichumani از Meta’s Reality Labs، و Yiğit Mengüç از موسسه رباتیک مشترک و سیستم های هوشمند هستند.