یکی از شناختهشدهترین و در عین حال پیچیدهترین انواع چاپ سهبعدی، فرایندی موسوم به Vat Photopolymerization است که با استفاده از لیزر، ساختارهایی را از رزین حساس به نور ایجاد میکند. پژوهش تازهای نشان داده است که میتوان از این فناوری برای تولید سازههای فلزی چاپ سهبعدی استفاده کرد که ۲۰ برابر مقاومتر از نمونههایی هستند که با روشهای سنتی ساخته میشوند. در این روش نوآورانه، از هیدروژلها برای ایجاد یک شبکهی اولیه استفاده میشود و سپس فلز روی این ساختار رشد مییابد. در مرحلهی پایانی نیز هیدروژل حذف میگردد و تنها سازهی فلزی باقی میماند.
چاپ سهبعدی طی سالهای اخیر انقلابی در شیوهی تولید به وجود آورده است، اما در واقع یک اصطلاح کلی برای مجموعهای از فناوریهای گوناگون تولید نوین به شمار میرود. به عنوان نمونه، بسیاری از ما با افرادی آشنا هستیم که در کارگاههای کوچک خود از روش مدلسازی رسوبی ذوبشونده (FDM) بهره میبرند؛ روشی که در آن مادهای گرم و خارجشده از نازل، که معمولاً نوعی پلاستیک است، بهصورت لایهبهلایه روی هم قرار گرفته و جسم نهایی را شکل میدهد. علاوه بر آن، گروهی از روشها با عنوان Additive Manufacturing یا AM نیز وجود دارند که شامل فناوریهایی نظیر همجوشی بستر پودری، لمینیت ورقی و رسوبدهی مستقیم انرژی میشوند.
با این حال، شاید جذابترین فناوری در میان روشهای AM همان Vat Photopolymerization باشد. در این فرایند از رزینهایی استفاده میشود که نسبت به نور واکنشپذیرند و در معرض لیزر یا پرتو فرابنفش سخت میشوند. اگرچه این روش به سادگی FDM نیست، اما امکان ساخت ساختارهای بسیار ظریف و دقیق را فراهم میکند که برای تولید اجزای پیچیدهای مانند کاتالیزورها در باتریها و سامانههای ذخیرهسازی انرژی حیاتی است.
در حالی که این قطعات معمولاً به مواد فلزی نیاز دارند، استفاده از فلز در این فناوری همواره نقطهضعف آن محسوب میشده است، چراکه ساختارهای ایجادشده معمولاً متخلخل بوده و در معرض انقباض قرار میگیرند؛ عاملی که موجب تاببرداشتن و کاهش استحکام نهایی میشود. اما اکنون پژوهشگران مدرسه فدرال پلیتکنیک لوزان (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) در سوئیس موفق شدهاند بر این محدودیت ذاتی غلبه کنند و به روشی دست یافتهاند که طی آن فلز بهگونهای رشد داده میشود تا سازهای با استحکام ۲۰ برابر بیشتر نسبت به روشهای معمول چاپ سهبعدی ایجاد شود. نتایج این پژوهش در مجلهی Advanced Materials منتشر شده است.
برای دستیابی به این موفقیت چشمگیر، دانشمندان ابتدا یک شبکهی سهبعدی از جنس هیدروژل چاپ کردند. سپس این ساختار را در محلول نمکهای فلزی غوطهور ساختند تا نانوذرات حاوی فلز در سراسر شبکه پخش شوند. این فرایند بین ۵ تا ۱۰ مرتبه تکرار شد تا ساختاری با تراکم بالای فلز به دست آید. در گام نهایی، هیدروژل با استفاده از حرارت حذف شد و ساختاری فشرده و بسیار مقاوم از فلز باقی ماند. پژوهشگران تخمین زدهاند که این نوع جدید از پلیمریزاسیون نوری میتواند همزمان استحکام سازه را افزایش داده و میزان انقباض را به شکل قابل توجهی کاهش دهد. به گفته داریل یی، نویسنده ارشد این مطالعه:
پژوهش ما نهتنها امکان تولید فلزات و سرامیکهای باکیفیت را از طریق فرایند چاپ سهبعدی در دسترس و کمهزینه فراهم میکند، بلکه پارادایم تازهای را در تولید افزودنی معرفی مینماید؛ جایی که انتخاب ماده، پس از چاپ سهبعدی انجام میشود نه پیش از آن.
با این حال، هنوز یک مانع باقی مانده است: زمان. از آنجا که این روش مستلزم چندین مرحلهی تزریق و تکرار فرایند بوده، تولید چنین ساختارهای فلزی رشدیافته زمانبرتر از روشهای متداول محسوب میشود و همین موضوع مانع پذیرش سریع آن از سوی صنایع بزرگ است. داریل یی گفت: «ما در حال کار روی کاهش زمان کل پردازش هستیم و قصد داریم با استفاده از رباتها، مراحل مختلف این فرایند را بهصورت خودکار انجام دهیم.»
اگر بتوان متریال های هوشمند ساخت که قابلیت تکثیر داشته باشند تولید عناصر شیمیایی مانند اکسیژن و آب در فضا و سیارات مختلف امکان پذیر تر خواهد شد.
همچنین امکان تولید سیارات مبتنی بر سفارش مشتری مبتنی بر متریال های هوشمند که قدرت تکثیر داشته باشند فراهم خواهد شد
همچنین در صورت استفاده از متریال هوشمند می توان با ارایه طراحی کامپیوتری محصول مورد نظر را مانند پرینتر سه بعدی در آن واحد با متریال ها و رنگها و ابعاد مختلف تولید نمود.