پژوهشگران دانشگاه یوتا فناوری چاپ سه‌بعدی هولوگرافیکی توسعه داده‌اند که ریزساختارهای بدون درز و نشتی را تنها در ۲۰ ثانیه تولید می‌کند.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، این فناوری با حذف فرایند متداول چاپ لایه‌به‌لایه، استحکام قطعات را افزایش می‌دهد، احتمال نشتی را از بین می‌برد و زمان تولید را از چند ساعت به چند ثانیه کاهش می‌دهد؛ دستاوردی که می‌تواند آینده تولید تجهیزات میکرومقیاس، تراشه‌ها و سامانه‌های میکروسیالی را متحول کند.
روش‌های رایج چاپ سه‌بعدی مبتنی بر لیزر، اجسام را به صورت لایه‌به‌لایه می‌سازند. هرچند این فناوری طی سال‌های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته است، اما وجود مرز میان لایه‌ها همچنان یکی از مهم‌ترین نقاط ضعف آن به‌حساب می‌آید. این مرزها می‌توانند باعث کاهش استحکام مکانیکی قطعات شوند یا در تجهیزاتی که با مایعات سروکار دارند، مانند تراشه‌های میکروسیالی، مسیرهایی برای نشتی ایجاد کنند.
اکنون تیمی از پژوهشگران دانشگاه یوتا این راهکار متفاوت را ارائه کرده است. در این روش، کل ساختار موردنظر تنها با یک بار تابش لیزر شکل می‌گیرد و ماده چاپی به طور هم‌زمان در تمام حجم خود سخت می‌شود. نتیجه این فرایند، قطعه‌ای کاملاً یکپارچه و بدون درز است که در مدت زمانی حدود ۲۰ ثانیه تولید می‌شود.
هدایت این پروژه را «راجش منون»، استاد گروه مهندسی برق و کامپیوتر دانشکده مهندسی پرایس دانشگاه یوتا به‌همراه «داجون لین»، از اعضای گروه پژوهشی او برعهده داشته‌اند. آنها برای دستیابی به این فناوری از ترکیب اصول لیتوگرافی نوری و هولوگرافی استفاده کرده‌اند.
مرتبط: استفاده از سلول های بنیادی برای چاپ سه بعدی بافت قلب
فناوری جدید بر پایه لیتوگرافی نوری توسعه یافته است؛ روشی که سال‌ها است در تولید تراشه‌های نیمه‌هادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در لیتوگرافی متداول، نور از میان یک ماسک عبور می‌کند تا الگوهای دوبعدی روی سطح مواد حساس به نور ایجاد شوند. اما انتقال همین ایده به فضای سه‌بعدی با چالش‌های متعددی همراه است، چرا که نور هنگام عبور از ماده دچار پراکندگی می‌شود و دقت ساخت کاهش می‌یابد.
پژوهشگران برای حل این مشکل، یک ماسک نانوساختاری طراحی کرده‌اند که مانند یک عدسی هولوگرافیک عمل می‌کند. این ماسک، نور لیزر را به الگویی سه‌بعدی تبدیل می‌کند که دقیقاً با شکل قطعه نهایی مطابقت دارد. به این ترتیب، انرژی لیزر تنها در نقاط مورد نیاز متمرکز می‌شود و کل ساختار در یک مرحله شکل می‌گیرد.
راجش منون درباره عملکرد این فناوری توضیح داد که ماسک هولوگرافیک مانند قالبی عمل می‌کند که شکل پیچیده‌ای را از داخل یک خمیر ضخیم جدا می‌کند و لیزر نیز هم‌زمان تمام بخش داخلی آن را می‌پزد تا ساختاری مستحکم و یکپارچه ایجاد شود.
در این فرایند از ماده‌ای حساس به نور با نام SU-8 استفاده می‌شود. هنگامی که الگوی هولوگرافیک لیزر به داخل این ماده تابانده می‌شود، تمام بخش‌های موردنظر به صورت هم‌زمان پلیمریزه و جامد می‌شوند. این ویژگی، مهم‌ترین تفاوت فناوری جدید با چاپگرهای سه‌بعدی رایج محسوب می‌شود که برای ساخت هر قطعه باید صدها یا حتی هزاران لایه را به‌ترتیب روی یکدیگر قرار دهند.
پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد این فناوری، مجموعه‌ای از لوله‌های میکرومتری را تولید کردند. قطر هر لوله تنها ۶ میکرومتر بود و نسبت طول به قطر آنها به ۱۲۰ به ۱ می‌رسید. با وجود این ابعاد بسیار کوچک، ساختارهای تولیدشده استحکام مکانیکی مناسبی از خود نشان دادند.
همچنین این تیم، آزمایش‌های فشاری مختلفی روی نمونه‌ها انجام داد و عملکرد آنها را در انتقال مایعات بررسی کرد. نتایج نشان داد که این ریزساختارها می‌توانند مایعات را از طریق خاصیت موئینگی جابه‌جا کنند؛ قابلیتی که برای ساخت تراشه‌های میکروسیالی، حسگرهای زیستی، تجهیزات آزمایشگاهی روی تراشه و سامانه‌های پزشکی اهمیت فراوانی دارد.
مرتبط: چاپ سه‌بعدی سوخت موشک؛ پایان قالب‌گیری سنتی پس از ۶۰ سال
یکی دیگر از ویژگی‌های مهم این فناوری، امکان تولید پیوسته قطعات است. پژوهشگران نشان دادند که چاپگر می‌تواند قطعات مختلف را به صورت متوالی و مشابه عملکرد یک نوار نقاله تولید کند. این قابلیت می‌تواند مسیر استفاده صنعتی از این فناوری را هموار کند و سرعت تولید انبوه ریزقطعات را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.
البته این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. پژوهشگران اعلام کرده‌اند که نسخه فعلی امکان کنترل دقیق تنها دو بُعد را فراهم می‌کند و ساختارهای تولیدشده در دسته «ساختارهای دوبعدی گسترش‌یافته» قرار می‌گیرند. هرچند، آنها اکنون روی توسعه سامانه‌ای کار می‌کنند که بتواند کنترل کامل هر سه بُعد را در اختیار داشته باشد و چاپ سه‌بعدی واقعی را با همان سرعت بالا و دقت فعلی انجام دهد.
اگر این هدف محقق شود، فناوری چاپ سه‌بعدی هولوگرافیک می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای در صنایع نیمه‌هادی، تجهیزات پزشکی، رباتیک، میکروالکترونیک، حسگرهای پیشرفته، سامانه‌های میکروسیالی و تولید قطعات فوق‌دقیق پیدا کند. ترکیب سرعت بسیار بالا، حذف کامل درزهای ساختاری، افزایش استحکام قطعات و امکان تولید پیوسته، این فناوری را به یکی از امیدوارکننده‌ترین دستاوردهای حوزه ساخت افزایشی در سال‌های اخیر تبدیل کرده است و می‌تواند نسل جدیدی از چاپگرهای سه‌بعدی صنعتی را به وجود آورد.
