فناوری چاپ سه بعدی نوری وارد مرحلهای جدید و هیجانانگیز شده است. پژوهشگران دانشگاه تسینگهوا (Tsinghua University) در چین موفق شدند روشی ابداع کنند که میتواند اجسام میلیمتری را در کمتر از یک ثانیه بسازد. این دستاورد، پیشرفتی چشمگیر نسبت به روشهای فعلی چاپ حجمی محسوب میشود و افقهای تازهای را پیش روی صنایع مختلف قرار میدهد.
روش جدید DISH چگونه کار میکند؟
نتایج این پژوهش در نشریه معتبر نیچر (Nature) منتشر شده است. تیم تحقیقاتی سیستم خود را با نام «سنتز دیجیتال ناهمدوس میدانهای نوری هولوگرافیک» یا به اختصار DISH معرفی کرده است. این نامگذاری از عبارت انگلیسی Digital Incoherent Synthesis of Holographic light fields گرفته شده است.
تفاوت اصلی این روش با سایر فناوریهای چاپ سه بعدی نوری در این است که به جای ساختن قطعه لایه به لایه، یک الگوی نوری سه بعدی کامل را در داخل حجمی ثابت از رزین (مادهای حساس به نور که با تابش نور سخت میشود) ایجاد میکند. به بیان سادهتر، تصور کنید که به جای چیدن آجرها روی هم برای ساختن یک خانه، کل خانه را یکباره و در یک لحظه بسازید!
محدودیتهای روشهای قبلی
بسیاری از روشهای چاپ حجمی که امروزه استفاده میشوند، مانند لیتوگرافی محوری محاسباتی (Computed Axial Lithography یا CAL)، به چرخش منبع نور یا نمونه رزین وابسته هستند. در این روشها، الگوهای نوری از زوایای مختلف به داخل رزین تابانده میشوند تا شکل مورد نظر ساخته شود.
این چرخش مکانیکی مشکلاتی ایجاد میکند؛ به عنوان مثال، پیچیدگی دستگاه را افزایش میدهد، سرعت کار را محدود میکند و پایداری فرآیند را کاهش میدهد. همچنین معمولاً نیاز است از رزینهای غلیظتری استفاده شود تا قطعات چاپ شده قبل از سخت شدن کامل، در داخل مایع جابهجا نشوند و شکلشان از بین نرود.
نوآوری کلیدی: حذف چرخش ظرف رزین
روش DISH نیازی به چرخش ظرف حاوی رزین ندارد. در عوض، این سیستم از یک پریسکوپ نوری (وسیلهای برای هدایت و انعکاس نور) استفاده میکند که با سرعت بالا (حدود 10 بار در ثانیه) میچرخد. این پریسکوپ الگوهای نوری متعددی را از زوایای مختلف به داخل رزین میتاباند.
الگوهای نوری توسط یک دستگاه آینه دیجیتال میکرومتری (Digital Micromirror Device) تولید میشوند. این دستگاه شامل میلیونها آینه بسیار کوچک است که هر کدام میتوانند به صورت مستقل کنترل شوند و نور را در جهات مختلف منعکس کنند. نور از طریق یک رابط نوری تخت وارد رزین میشود.
با ترکیب سریع این الگوهای نوری پشت سر هم، یک توزیع کامل از شدت نور سه بعدی در داخل رزین شکل میگیرد که کل ساختار را تقریباً همزمان سخت میکند.
سرعت و دقت خیره کننده
بر اساس اطلاعات منتشرشده در مقاله پژوهشی، اجسام میلیمتری میتوانند در کمتر از ۰.۶ ثانیه چاپ شوند. نرخ چاپ حجمی گزارش شده به ۳۳۳ میلیمترمکعب در ثانیه میرسد و کوچکترین جزئیات قابل چاپ حدود ۱۲ میکرومتر اندازه دارند (هر میکرومتر یکهزارم میلیمتر است). برای درک بهتر این مقیاس، بد نیست بدانید که قطر یک تار موی انسان حدود ۷۰ میکرومتر است؛ یعنی این فناوری میتواند جزئیاتی حدود شش برابر ظریفتر از تار مو را بسازد.
تیم تحقیقاتی همچنین گزارش داده که توانستهاند دقت حدود ۱۹ میکرومتر را در عمق یک سانتیمتری حفظ کنند. این دستاورد از محدودیتهای معمول عمق میدان در سیستمهای نوری استاندارد فراتر میرود (عمق میدان یا Depth of Field به محدودهای گفته میشود که در آن تصویر یا الگوی نوری واضح و دقیق باقی میماند).
رمز موفقیت: بهینهسازی الگوهای هولوگرافیک
برای رسیدن به این نتایج، پژوهشگران از بهینهسازی تکرارشونده الگوهای هولوگرافیک برای هر زاویه تابش استفاده کردند. در این فرآیند، نحوه انباشت انرژی نور در داخل حجم رزین به دقت تنظیم میشود تا نتیجه نهایی دقیقترین شکل ممکن را داشته باشد. هولوگرام یک تصویر سه بعدی است که با استفاده از نور لیزر و بدون نیاز به عینک خاص قابل مشاهده است.
کاربردهای آینده چاپ سه بعدی نوری
این فناوری هنوز در مرحله آزمایشگاهی قرار دارد، اما کاربردهای بالقوه آن بسیار گسترده است. ساخت با سرعت بالا در این مقیاس میتواند در زمینههای مختلفی مفید باشد.
یکی از کاربردها، ساخت قطعات میکرواپتیکی مانند لنزهای بسیار کوچک است که در دوربینهای گوشیهای هوشمند یا تجهیزات پزشکی استفاده میشوند. همچنین در ساخت سیستمهای رباتیک کوچک که به دقت و ظرافت بالایی نیاز دارند، این فناوری میتواند انقلابی ایجاد کند.
در حوزه الکترونیک انعطافپذیر، مانند نمایشگرهای تاشو یا حسگرهای پوشیدنی، و همچنین در ساخت داربستهای زیستپزشکی (ساختارهایی که برای رشد سلولها و بازسازی بافتها استفاده میشوند)، چاپ سه بعدی نوری پرسرعت میتواند تحولات بزرگی ایجاد کند.
چشمانداز تجاریسازی
هنوز مشخص نیست که آیا روش DISH به مرحله تجاریسازی خواهد رسید یا خیر. چالشهایی مانند هزینه تجهیزات، نیاز به رزینهای خاص و پیچیدگی نرمافزاری میتوانند مانع از گسترش سریع این فناوری شوند. با این حال، به عنوان یک نمونه اولیه، این پژوهش مرزهای تولید افزایشی سریع را جابهجا کرده و نشان میدهد که آینده چاپ سه بعدی نوری چه شکلی میتواند داشته باشد (تولید افزایشی یا Additive Manufacturing اصطلاحی است که به همه روشهای ساخت اشیا از طریق افزودن مواد لایه به لایه یا حجمی گفته میشود، برخلاف روشهای سنتی که با برش و حذف مواد کار میکنند).
