تولید دیجیتالی مواد پیشرفته
Digital manufacturing of advanced materials: Challenges and perspective
پیشرفت‌های سریع در مهندسی و علم مواد به روش‌های جدید تولید مواد نیاز دارد، به صورتی که قابلیت طراحی بیشتری داشته باشند. در عبور از تکنیک‌های متداول ساخت و تولید مانند ریخته‌گری و پوشش دهی، کنترل دیجیتال مورفولوژی، ترکیب و ساختار، یک رویکرد جامع و پرکاربرد را ارائه می‌کند. سیستم‌های تولید دیجیتال این امکان را به کاربران می‌دهند که مواد با شکل آزاد را تولید کنند که منجر به قابلیت‌ها و کاربردهای جدیدی می‌شود. تولید افزایشی دیجیتال که یک روش تولید لایه به لایه برای تولید محصولات سه بعدی با هندسۀ پیچیده است، در حال تغییر دادن روش تولید مواد در صنعت است. اخیرا نیز پرینت دیجیتالی نانوذرات کلوئیدی سنتز شده مسیر را برای تولید دسته جدیدی از نانومواد هموار کرده است تا بتوان خواص نانوذرات را کنترل کرده و برهم کنش بین آن‌ها را در سطح اتمی، کنترل نمود. در مقاله مروری که در مجله معتبر Materials Today منتشر شده است، محققین به جدیدترین پیشرفت‌ها در زمینه پیشرفته‌ترین روش‌های تولید دیجیتال پرداخته‌اند. در این مقاله بر چالش‌های موجود در این زمینه پرداخته شده و چشم انداز در مورد تحقیقات آینده و خط مشی توسعه در زمیه تولید دیجیتال ارائه شده است.
این مقاله به دو دسته کلی پرداخته است:
1- تولید افزایشی (موادی که قابل پرینت کردن هستند، توان و قابلیت‌های پرینت کردن، کیفیت پرینت کردن)
2- تکنیک‌های نانوپرینت نوری (پرینت لیزری نانومواد، نانوپرینت نوری با نیروی متمرکز، پرینت حبابی نوری-حرارتی، پرینت نوری-حرارتی-الکتریکی)
در این پست به تکنیک‌های نانوپرینت نوری می‌پردازیم که کم‌تر به آن پرداخته شده است. این روش همانند تولید لایه به لایه است، اما با این تفاوت که فرایند را به صورت ذره-ذره انجام می‌دهد تا نانوساختارها یا نانوالگوهایی با شکل آزاد تولید کند و می‌توان از این طریق نانوادوات را تولید نمود. در این راستا، نانوذرات کلوئیدی از مواد، اندازه‌ها و شکل‌های مختلف، به عنوان خوراک به کار می‌روند. با بهره بردن از مدل طراحی کامپیوتری یا میدان خارجی، می‌توان حالت مواد را به صورت دیجیتال کنترل کرد. ذرات سپس به صورت یک به یک بر روی یکدیگر قرار می‌گیرند تا ساختارهای کلوئیدی 2-بعدی یا 3-بعدی تشکیل شود که نمی‌توان از طریق فرایندهای متداول آن‌ها را تولید نمود. با این حال، اندازه کوچک نانومواد موجب شده است که فرایند تولید بسیار دشوار باشد. نور به عنوان مهم‌ترین ابزار برای کنترل نانومواد در این روش در نظر گرفته می‌شود. در سال‌های اخیر، فناوری‌های تولید مبتنی بر نور، تحت عنوان فناوری‌های نانوپرینت نوری، پدیدار شده‌اند و مخاطبان بسیاری را جلب کرده‌اند.
یک نمونه از روش‌های پرینت لیزری نانومواد در این بخش بررسی می‌شود. با استفاده از لایه نازکی از مواد جذب کننده، پرینت لیزری مقداری از ماده را از یک منبع به یک سطح دریافت کننده منتقل می‌کند تا به صورت مستقیم نانومواد را تشکیل دهد. بخش دهنده یا دونار که توسط لیزر مترکز فمتوثانیه‌ای منتشر می‌شود، انرژی نور را جذب می‌کند و به صورت موضعی ذوب می‌شود. سپس یک قطره توسط پرتوی لیزری خارج می‌شود و از لایۀ دهنده به بخش دریافت کننده (جاذب) منتقل می‌شود تا نانوذرات تشکیل شوند. در نتیجه می‌توان آرایه‌ای از نانومواد را از طریق چرخاندن پرتوی لیزر تولید نمود. با استفاده از این روش، می‌توان مواد دی الکتریک مانند سیلیکون و ژرمانیم را نیز تولید نمود تا نانوالگوهای خاصی تشکیل شود.
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (MatRes-مترس)
