کاربرد گرافن در پرینت سه بعدی - ایران گرافن

کاربرد گرافن در پرینت سه بعدی یکی دیگر از کارایی های آن می باشد.

پرینتر 3 بعدی چیست؟

فناوری پرینت سه بعدی که تولید افزودنی (AM) نیز نامیده می شود، یک حوزه تحقیقاتی جدید در حال ظهور است که در آن اشیاء سه بعدی (3D)  به طور موثر از طریق افزودن لایه به لایه تولید می شوند. از آنجایی که فناوری AM قادر به چاپ مستقیم نمونه اولیه از مدل های طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)  است، به طور گسترده به عنوان یک فناوری ساخت امیدوارکننده برای طیف گسترده ای از کاربردها شناخته شده است و در نتیجه به عنوان سومین انقلاب صنعتی مورد استقبال قرار گرفته است.

AM دارای مزایای متعددی از جمله هزینه کم، هندسه پیچیده و دقت بالا است. با این حال، انتخاب مواد محدود، به عنوان یکی از بزرگترین مسائلی که مانع توسعه فناوری چاپ سه بعدی فعلی شده است، شناخته شده است. پلیمرها مواد اصلی مورد استفاده در پرینت سه بعدی هستند، حتی با وجود اینکه تعداد کمی از ذرات سرامیکی و فلزی در برخی از ماشین‌های پیشرفته استفاده شود. با توجه به خواص و عملکرد نامطلوب پلیمرها و کیفیت پایین سطح با ذرات فلزی، بررسی نانوکامپوزیت های جدید با عملکرد بهبود یافته ضروری است.

پیشرفت بزرگی در فناوری AM در دهه گذشته به دست آمده است، جایی که نانوذرات به دلیل افزایش سطح ویژه، پایداری مکانیکی و حرارتی بالاتر، برهمکنش سطحی کنترل‌شده، استحکام انعطاف‌پذیری بالاتر، در ماتریس پلیمری گنجانده شده‌اند تا خواص مکانیکی، خواص الکتریکی و حرارتی مطلوب و سایر خواص را تا حد زیادی افزایش دهند. مواد با قابلیت چاپ خوب برای چاپ سه بعدی حیاتی هستند و با خواص مواد، وسایل ساخت و پیچیدگی ساختار چاپی نهایی مرتبط هستند.

ویسکوزیته مناسب و رفتار نازک شدن برشی دو ویژگی مهم رئولوژیکی برای تحقق چاپ سه بعدی قابل اعتماد هستند. مواد پرینت سه بعدی علاوه بر انعطاف‌پذیری طراحی بزرگ‌تر، قابلیت‌های چندگانه مانند دستگاه‌های کروماتوگرافی، مواد رسانا، غشاها، الکترودهای الکتروشیمیایی، مواد فتوکروماتیک را فراهم می‌کنند.

پرینت سه بعدی انواع مختلفی از فناوری ها و مواد را در بر می گیرد زیرا پرینت سه بعدی تقریباً در تمام صنایع استفاده می شود. مهم است که آن را به عنوان مجموعه ای از صنایع متنوع با کاربردهای بی شماری ببینیم.به عنوان مثال:

– محصولات مصرفی (عینک، کفش، طراحی، مبلمان)

– محصولات صنعتی (ابزار ساخت، نمونه های اولیه، قطعات کاربردی نهایی)

– محصولات دندانپزشکی

– مبحث اعضای مصنوعی

– مدل‌ها و ماکت‌های مقیاس معماری

– بازسازی فسیل ها

– تکرار آثار باستانی

– بازسازی شواهد در آسیب شناسی قانونی

– وسایل فیلمکه با استفاده گرافن در پرینت سه بعدی این کاربرد ها افزایش می یابد.

چاپ سه بعدی کامپوزیت های گرافنی

نانوکامپوزیت های پلیمری حاوی گرافن و تقویت کننده های پرکننده گرافیتی به طور گسترده در دو دهه اخیر مورد مطالعه قرار گرفته اند. همانطور که تک لایه گرافن کربن های هیبرید شده sp2، مدول یانگ 1 TPa با مقاومت شکستگی 200 برابر بیشتر از فولاد را نشان می دهد، خواص مکانیکی پلیمری با معرفی پرکننده گرافنی افزایش می یابد. نانومواد مبتنی بر گرافن همچنین می‌توانند خواص الکتریکی، حرارتی، سایش، نوری، محافظت از تداخل الکترومغناطیسی و ویژگی‌های مانع همه ماتریس های پلیمری را افزایش دهند.

روش‌های ساخت متعددی برای توسعه نانوکامپوزیت‌های پلیمری مبتنی بر گرافن مانند اختلاط مذاب، روش‌های ریخته‌گری/پوشش به کمک حلال، تکنیک‌های اکستروژن، الکتروریسی و غیره استفاده می‌شود. با این حال، جداسازی فاز و تجمع گرافن در ماتریس پلیمری به شدت بر راندمان پراکندگی اساسی تأثیر می‌گذارد، که اغلب با افزودن مشتقات گرافن عامل‌دار حل می‌شود. در این مرحله، گاهی اوقات پایداری الکتریکی، مکانیکی و حرارتی به خطر می‌افتد، به ویژه زمانی که اکسید گرافن (GO)  تقویت‌کننده باشد. در حالی که تعدادی از روش‌های ساخت به مواد با مقدار بالایی نیاز دارند، روش‌های دیگر مانند الکتروریسی نمونه‌هایی را در ابعاد خاص ارائه می‌کنند. علاوه بر این، روش‌های تولید مرسوم ساختارهای دو بعدی را تولید می‌کنند که امکان کاربردهای محدود را فراهم می‌کند.

ترکیبی از تقویت‌کننده گرافن و فناوری ساخت افزودنی، روشی نوآورانه برای نمونه‌سازی سریع و ساخت سیستم‌های مهندسی سه‌بعدی با ویژگی‌های بهینه و چند عملکردی ارائه می‌دهد و کارایی گرافن در پرینت سه بعدی نمایان می شود. در مقایسه با مواد چاپ معمولی، این روش طیفی از کاربردها از مواد ساختاری تا مواد کاربردی پیشرفته را در نتیجه خواص ذاتی گرافن ارائه می‌دهد. پایداری مکانیکی، رسانایی الکتریکی و قابلیت چاپ نانوکامپوزیت ها، کاربردهای مواد را در زمینه های متعددی از جمله بیوتکنولوژی، پزشکی، خودرو، الکترونیک و غیره گسترش می دهد.

ساختارهای پیچیده با طرح های انعطاف پذیر با مواد کمتر، امکانات گسترده ای را برای نانوکامپوزیت های پلیمری مبتنی بر گرافن، متفاوت از سایر فناوری های ساخت، فراهم می کند. به عنوان مثال، GO، یکی از رایج ترین مشتقات گرافن، دارای گروه های عاملی آبدوست فراوان است و می تواند به طور همگن در محلول آبی بدون کمک پلیمرها برای تعدیل قابلیت چاپ پراکنده شود. برای بهره مندی از ادغام گرافن یا مشتقات آن در مواد اولیه مورد استفاده برای تکنیک های مختلف چاپ، چاپ پذیری ممکن است بهینه شود و در نتیجه دقت و کارایی چاپ را بهبود بخشد.

برای برآوردن تقاضای فزاینده برای مواد چند منظوره، گرافن در پرینت سه بعدی یک مسیر هیجان انگیز امکان پذیر برای تسهیل مستقیم ساخت مواد نوآورانه با ویژگی های چند منظوره و انعطاف پذیری طراحی فراهم می کند. با افزودن کمتر از 5 درصد از گرافن یا مشتقات آن، ساختارهای سه بعدی پیچیده را می توان با خواص بسیار بهبود یافته، زمان پردازش کوتاه تر و هزینه کم در بیشتر موارد چاپ کرد.

با این حال، ساختارهای چند مقیاسی نانوکامپوزیت‌های چاپی در مقیاس‌های نانو، میکرو و ماکرو باید به دقت کنترل شوند تا بتوان خواص ذاتی گرافن را به کامپوزیت‌ها منتقل کرد. عوامل مهم از نظر شرایط ساخت، پارامترهای مواد، ساختارهای چند مقیاسی نیاز به بررسی بیشتر دارند.

در همین حال، نوآوری‌های اخیر فرآیند مانند جوشکاری کامپوزیت‌های پلیمری پرشده با کربن پرینت‌شده با چاپ سه‌بعدی با استفاده از گرمایش محلی با مایکروویو و پخت در محل می‌توانند مستقیماً روی نانوکامپوزیت‌های گرافن اعمال شوند. علاوه بر این، تکنیک‌های الکتریکی، مغناطیسی و سایر تکنیک‌های به کمک میدان نیز گزینه‌های امیدوارکننده‌ای برای کنترل ویژگی‌های رابط هر لایه و بهبود عملکرد کلی ساختارهای چاپی هستند.

عواملی که در عملکرد نهایی قطعات پرینتی نقش کلیدی دارند، پراکندگی گرافن یا مشتقات آن در ماتریس، برهمکنش سطحی بین گرافن یا مشتقات آن و ماتریس، جهت چاپ، نسبت ابعاد نانوپرکننده، کاهش اکسید گرافن و ویسکوزیته جوهر شناسایی شدند.

فناوری های جدید چاپ اجسام

در ادامه به دو نمونه از فرآیندهای نوآورانه فعلی در چاپ گرافن در پرینت سه بعدی اشاره شده است:

FDM: در این روش از یک رشته مخصوص متشکل از یک پلیمر و تکه های گرافن استفاده می شود. تکه های گرافن خواص شگفت انگیز گرافن را به ارمغان می آورند، در حالی که پلیمر لایه ها را قادر می سازد تا به یکدیگر متصل شوند و یک شی سه بعدی ایجاد کنند. تحقیقات نشان دادند که برای اینکه قسمت نهایی اثرات کامل گرافن را داشته باشد، جسم چاپ شده سه بعدی باید پس از چاپ در معرض دمای بالا قرار گیرد.

دما شیء نهایی را تنظیم می کند. این روش تاکنون موفق بوده است؛ اما از آنجایی که این یک پروژه نسبتاً جدید است، این فناوری هنوز قادر به چاپ اجسام بسیار دقیق یا بزرگ نیست. صرف نظر از این، مطمئناً این یک گام بزرگ رو به جلو در تحقیقات چاپ سه بعدی گرافن است.

SLA: این فرآیند با ساخت هیدروژل اکسید گرافن شروع می شود. اکسید گرافن ترکیبی شبیه گرافن است، اما با اکسید یکپارچه با اتم‌های کربن. هیدروژل یک ساختار سه بعدی است که از زنجیره های پلیمری با پیوندهای متقابل ساخته شده است که زنجیره های پلیمری را در کنار هم نگه می دارد. سپس اکسید گرافن با امواج فراصوت از هم جدا می شود و پلیمر حساس به نور (هیدروژل) به آن اضافه می شود.

اکنون، تحقیقات نشان می دهد که می توان از این هیدروژل اکسید گرافن به عنوان رزین برای چاپ سه بعدی با فناوری میکرو استریولیتوگرافی (SLA)  استفاده کرد. نتیجه اشیاء سه بعدی حاوی گرافن اکسید است که بخش چاپ شده خواص شگفت انگیز زیادی از گرافن را می دهد. پس از اتمام فرآیند چاپ، قطعات پرینت سه بعدی باید حرارت داده شوند تا پلیمرها حل شوند. چیزی که پس از گرم شدن باقی می‌ماند یک آئروژل گرافن است که ساختاری بسیار سبک وزن است.

علیرغم اینکه این فرآیند نسبت به فرآیند مبتنی بر FDM که در بالا توضیح داده شد، پیشرفته تر است، اما هنوز تا تکمیل نهایی فاصله زیادی دارد، زیرا فقط ساختارهای بسیار کوچکی را می توان ایجاد کرد.

در پایان، ما هنوز در مراحل اولیه استفاده از گرافن در پرینت سه بعدی هستیم. پیشرفت تا کنون امیدوارکننده به نظر می رسد، اما قبل از اینکه گرافن راه خود را به همه چیزهایی که ما روزانه با آنها در تعامل هستیم راه درازی در پیش دارد.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589965119300133

https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-018-0067-9