چاپ سه بعدی با سلولز

چاپ سه بعدی با سلولز

فراوان ترین پلیمر جهان می تواند تبدیل به رقیبی برای پلاستیک های بر پایه مواد نفتی به عنوان منبع مواد اولیه چاپگرها شود.

برای قرن هاست که سلولز پایه متداولترین زیرآیند چاپ، یعنی کاغذ است. حال به کمک تحقیقات جدیدی که در دانشگاه MIT انجام شده است سلولز میتواند به عنوان مادهای پرکاربرد و در دسترس برای چاپ سه بعدی مطرح شود و جایگزینی تجدید پذیر و زیست تخریب پذیر برای پلیمرهایی که در حال حاضر در چاپ سه بعدی استفاده می شوند، باشد.

به گفته سباستین پتینسون ، فوق دکترای دانشگاه MIT، سلولز فراوانترین پلیمر آلی در جهان است. او توضیح میدهد که سلولز مهمترین عامل خواص مکانیکی ویژه چوب است و به دلیل ارزانی ، تجدید پذیری و همچنین تطبیق پذیری شیمیایی در محصولات زیادی استفاده میشود. سلولز و زیرشاخه های آن در صنایع دارویی، لوازم پزشکی، افزودنیهای غذایی، پوشاک و… کاربرد دارد و بسیاری از این صنایع میتوانند از خصوصیات جدیدی که چاپ سه بعدی اضافه میکند، سود ببرند.

لازم به ذکر است که استفاده از سلولز در چاپ سه بعدی ایده جدیدی نیست و محققان بسیاری در این راستا تلاش کردهاند اما با موانع بزرگی مواجه شدهاند. سلولز در هنگام گرم کردن قبل از اینکه جاری شود، تخریب حرارتی خواهد شد که بخشی از این مسئله به دلیل وجود پیوندهای هیدروژنی بین مولکولهای سلولز است. علاوه بر این پیوندهای بین مولکولی محلولهای غلیظ سلولز را برای اکسترود کردن بیش از اندازه ویسکوز کرده است.

تیم دانشگاه MIT به جای تلاش برای ذوب کردن سلولز تصمیم گرفت با سلولز استات کار کند ، ماده ای که به راحتی از سلولز تهیه میشود و در حال حاضر به طور گسترده موجود و در دسترس است. طبیعی است که گروههای استات ، تعداد پیوندهای هیدروژنی را در این ماده کاهش داده است. سلولز استات در استون حل می شود و میتواند از یک نازل اکسترود شود. به دلیل اینکه استون به سرعت تبخیر میشود، سلولز استات در مکان مورد نظر جامد خواهد شد. مرحله دیگری میتواند به صورت اختیاری اعمال شود و با جایگزینی گروههای استات استحکام قسمتهای چاپ شده را بالا ببرد.

پتینسون می گوید:” پس از انجام چاپ سه بعدی، ما شبکه پیوندهای هیدروژنی را به وسیله اصلاح با سدیم هیدروکسید بر میگردانیم.” استحکام و سختی به دست آمده از بسیاری از مواد رایج مورد استفاده در چاپ سه بعدی شامل آکریلونیتریل بوتادین استایرن و پلی لاکتیک اسید بیشتر است.

برای نشان دادن قابلیت افزودن خواص مختلف شیمیایی در فرایند تولید، پتینسون و هارت بعد دیگری را به این اختراع افزودند. آن ها با افزودن مقدار کمی رنگدانه ضد میکروب به جوهر استات سلولز نوعی انبرک جراحی با خواص ضد میکروبی را به صورت سه بعدی چاپ کردند.

پتینسون می گوید: ” ما نشان دادیم که قطعات چاپ شده با تابش نور فلوئوروسنت باکتریها را از بین میبرند.” چنین ابزارهایی برای واحدهای پزشکی دورافتاده که در آنها نیاز به وسایل جراحی وجود دارد ولی رساندن لوازم جدید سخت است یا هنگامی که ابزارهای شخصی سازی شده مورد نیاز است، میتواند مفید باشد. او می افزاید: “خاصیت ضد میکروبی در نقاطی که استریلیزاسیون اتاقهای عمل ایده آل نیست، ضروری خواهد بود.”

به دلیل اینکه اکثر چاپگرهای بر پایه اکستروژن برای جاری شدن پلیمر متکی به گرم کردن آن هستند، سرعت چاپ در آنها محدود است به میزان گرمایی که می توان بدون خطر تخریب پلیمر به آن وارد کرد. اما فرآیند استفاده از سلولز در دمای اتاق انجام میشود و تنها به تبخیر استون وابسته است بنابراین بطور بلقوه سریعتر است و با روشهای مختلف میتوان آن را سریعتر هم کرد. روشهایی مثل افزایش سطح مقطع یا دمیدن هوای گرم برای بالا بردن سرعت تبخیر. علاوه بر این در یک سیستم تولید باید به دنبال بازیابی استون باشیم تا علاوه بر صرفه جویی مشکل زیست محیطی نیز وجود نداشته باشد.

در حال حاضر سلولز استات بطور گسترده در دسترس است. در حالت بالک، این ماده از نظر قیمت با ترموپلاستیک های مورد استفاده در قالب گیری تزریقی قابل مقایسه است و از مواد فیلامنت مورد استفاده در چاپ سه بعدی بسیار ارزانتر است. به گفته محققان مسئله قیمت در کنار امکان استفاده در دمای اتاق و قابلیت عاملی کردن سلولز در حالتهای متنوع می تواند آن را از نظر تجاری بسیار موفق نماید.