علم پشت ریختن سس کچاپ می تواند به چاپ سه بعدی سرامیکی منجر شود

پرینت سه بعدی از یک فانتزی علمی تخیلی به یک ابزار کاربردی تبدیل شده است. پلاستیک متداول ترین ماده مورد استفاده برای پرینت سه بعدی است، اما تحقیقات NIST به گسترش پرینت سه بعدی به حوزه جدیدی – سرامیک کمک می کند. هنگام چاپ سرامیک، جزئیات کوچک اهمیت دارند، و این جزئیات تنها در صورتی کامل می شوند که روشی قابل اعتماد برای اندازه گیری آنها وجود داشته باشد. اندازه گیری های خوب NIST به صنعت کمک خواهد کرد.

سرامیک های فنی – بر خلاف آنهایی که در کاربردهای رایج تر مانند سفال استفاده می شوند – خواص منحصر به فردی دارند. آنها سبک وزن، بادوام، عایق الکتریکی عالی هستند و قادر به مقاومت در برابر درجه حرارت شدید هستند. سرامیک های فنی رایج عبارتند از آلومینا و زیرکونیا. خواص منحصر به فرد آنها آنها را برای قطعات الکترونیکی، زره های بالستیک و قطعات موتور موشک ایده آل می کند.

پرینت سه بعدی راه جدیدی برای ایجاد این قطعات ارائه می دهد. ایمپلنت های دندانی در حال حاضر معمولا به صورت سرامیکی چاپ می شوند. پرینت سه بعدی برای ساخت ایمپلنت‌های پزشکی که جایگزین استخوان می‌شوند ایده‌آل است، زیرا می‌توانند از همان ماده معدنی استخوان ساخته شوند و شبکه‌های داخلی پیچیده استخوان‌ها را تکرار کنند، در نتیجه یک قطعه جایگزین منحصر به فرد برای هر فرد و تا حد امکان نزدیک به استخوان واقعی است.

راسل مایر، دانشمند مواد NIST که پرینت سه بعدی سرامیکی را مطالعه می‌کند، می‌گوید: «هر زمان که چیز جدیدی پیش بیاید، مردم شک دارند که کارساز باشد. بخشی از تحقیقات من کمک به چاپ سرامیک سازگارتر و قابل اعتمادتر است.

یکی از چالش‌های بزرگ مایر، اندازه‌گیری دقیق چگونگی جریان سرامیک مرطوب در هنگام فشار دادن و کشیدن آن است. اما برای درک اینکه چرا این امر برای سرامیک های پرینت سه بعدی مهم است، باید کمی در مورد سس کچاپ بدانید.

داستان دو چاشنی

چیز عجیبی در مورد سس کچاپ وجود دارد. اگر یک بطری سس کچاپ را وارونه کنید، چاشنی نمی ریزد. اما همانطور که هر علاقه‌مند به سرخ کردنی می‌داند، یک ضربه تیز باعث می‌شود یک کره سس کچاپ به راحتی از بین برود.

آن را با یک مایع معمولی تر، مانند عسل مقایسه کنید. بدون مقدار ضربه زدن عسل سریعتر ریخته می شود. همچنان به آرامی خواهد ریخت.

قبل از شیر آب، سس گوجه فرنگی 5 برابر ضخیم تر از عسل است. بعد از یک ضربه دو برابر نازک می شود. نیروی آن شیر به طور لحظه ای باعث می شود کچاپ به راحتی جریان یابد.

ویسکوزیته کلمه دیگری است که نشان می دهد یک سیال چقدر غلیظ یا روان است. قانون ویسکوزیته نیوتن بیان می کند که هر چه سیال سریعتر جریان یابد، مقاومت در برابر آن جریان بیشتر می شود.

سیالاتی مانند سس کچاپ که با اعمال نیرو ضخامت آنها تغییر می کند نامیده می شوند سیالات غیر نیوتنی زیرا قانون ویسکوزیته در مورد آنها صدق نمی کند.

مواد اولیه مورد استفاده در سرامیک های چاپ سه بعدی نیز غیر نیوتنی هستند. و اندازه گیری چگونگی تغییر ویسکوزیته آنها برای کارکرد فناوری ضروری است.

سرامیک پرینت سه بعدی

چند راه برای پرینت سه بعدی سرامیک وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. آنها معمولاً با یک مایع غلیظ ساخته شده از ذرات ریز معلق در آب یا یک پلیمر شروع می شوند. نوع پرینت سه بعدی سرامیکی که Maier استفاده می کند برای اهداف فنی است، چیزی نیست که یک علاقه مندان عادی احتمالاً در خانه انجام دهند. این به دلیل اندازه و هزینه تجهیزات مورد نیاز است.

یک روش از یک نازل برای ریختن خمیر سرامیک استفاده می کند، مانند نانوایی که یک لایه کیک را در یک لایه مات می کند. این یک شکل نرم ایجاد می کند که سپس می توان آن را خشک کرد و در کوره پخت تا قسمت سرامیکی نهایی را بسازد. برای این کار، سرامیک باید مانند یک مایع در هنگام عبور از دستگاه رفتار کند، سپس پس از قرار گرفتن، شکل خود را مانند یک جامد حفظ کند. (ویدئوی عملی این روش را ببینید.)

محقق لوگوی NIST را به صورت سرامیکی با چاپگر سه بعدی چاپ می کند

روش دیگر با مخزن دوغاب سرامیکی مایع شروع می شود. این مخلوط همچنین حاوی پلیمرها و یک ماده شیمیایی است که باعث می شود آن پلیمرها در معرض نور UV جامد شوند. برای ایجاد یک قسمت سه بعدی، نور ماوراء بنفش از طریق کف شفاف مخزن در یک الگوی خاص پخش می شود تا هر لایه جامد شود. سپس قسمت کمی بلند می شود تا لایه جدیدی از دوغاب مایع در زیر جریان یابد و جامد شود. این روش جزئیات ریزتری را امکان پذیر می کند، اما از مواد خام گران تری استفاده می کند. پلیمرهای داخل سرامیک نیز باید قبل از اتمام قطعه جدا شوند که ممکن است چندین روز طول بکشد.

مایر گفت: “درک نحوه جریان دوغاب برای دستیابی به یک نتیجه نهایی خوب برای هر دو روش کلیدی است.” “گاهی اوقات شما می خواهید دوغاب به راحتی جریان یابد و برخی اوقات می خواهید شکل خود را حفظ کند.”

دانشمندان این خواص غیر نیوتنی را با استفاده از دستگاهی به نام رئومتر اندازه گیری می کنند. در یک آزمایش معمولی، مقدار کمی خمیر سرامیکی بین دو صفحه قرار می گیرد. رئومتر به آرامی نمونه را فشار می‌دهد، سپس یک صفحه را می‌چرخاند و در عین حال میزان نیروی لازم برای جاری شدن خمیر را اندازه می‌گیرد. هر کسی که از چاپگر سرامیکی استفاده می کند باید به طور مرتب از رئومتر برای بررسی کیفیت مواد اولیه خود استفاده کند. اما اندازه گیری درست دشوار است.

بسیاری از این دوغاب های سرامیکی بر پایه آب هستند. آنها با گذشت زمان تمایل به خشک شدن دارند که باعث تغییر خواص آنها می شود. چالش دیگر این است که این مایعات نوعی حافظه دارند.

همانطور که تشک مموری فوم چند دقیقه طول می کشد تا به شکل اولیه خود بازگردد، این مواد نیز زمان می برد تا به ویسکوزیته اولیه خود برگردند. لمس ساده سرامیک مرطوب برای قرار دادن آن در دستگاه می تواند به طور چشمگیری ویسکوزیته آن را تغییر دهد و اندازه گیری را خراب کند. سرامیک همچنین می‌تواند به‌عنوان روان‌کننده خودش عمل کند و باعث می‌شود که صفحات به جای صاف کردن نمونه، روی نمونه بلغزند. این باعث می شود اندازه گیری کمتر قابل اعتماد باشد.

با تمام این جزئیات پیچیده، برای کاربران پرینترهای سرامیکی تشخیص دقیق بودن رئومتر آنها دشوار است.

یک دوغاب سرامیکی

درست کردن اندازه‌گیری‌های رئومتر، کار مناسبی است مواد مرجع. یک ماده مرجع نمونه خاصی است که با لیستی از خواص شناخته شده ارائه می شود. با انجام اندازه‌گیری روی مواد و مقایسه آنها با NIST، دانشمندان می‌توانند از دقیق بودن نتایجشان مطمئن شوند.

مایر و همکارانش، ران تائو و ساموئل هیلز، محققین NIST در حال ایجاد دوغابی از ذرات ریز زیرکونیا هستند که در یک پلیمر مایع شناور هستند – شبیه به خاک رس مرطوب. دوغاب به طور قابل اعتماد اندازه گیری های رئومتر را بارها و بارها انجام می دهد. برای جلوگیری از خشک شدن آن، نمونه از پلی اتیلن گلیکول استفاده می کند – همان ماده ای که از بالم لب ساخته شده است – که تبخیر نمی شود.

این ماده همراه با دستورالعمل‌هایی برای تنظیم مجدد حافظه آن است: ابتدا آن را به سرعت بچرخانید تا جایی که ممکن است روان شود، سپس اجازه دهید کاملا شل شود. این کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که هر اندازه گیری یکسان است.

کار مایر می تواند یک روز به شما کمک کند تا از یک آسیب جدی ریکاوری کنید. حرکت فراتر از کاربردهای دندانپزشکی، جدید ایمپلنت های پزشکی در حال توسعه هستند که شکل، ریزساختار، مواد و عملکرد مشابه استخوان دارند. این نوع ایمپلنت با بافت زنده راحت تر از ایمپلنت های تیتانیوم گره می خورد و به طور بالقوه منجر به بهبودی آسان تر برای بیمار می شود.

اکنون که Maier و تیم این ماده را ایجاد کرده‌اند، گام بعدی آزمایش آن با ارسال آن به آزمایشگاه‌های تحقیقاتی دیگر در سراسر کشور است تا اندازه‌گیری‌های رئومتر خود را انجام دهند و ببینند آیا همه به یک پاسخ می‌رسند یا خیر.

پس از ارائه نتایج، دوغاب سرامیکی اولین گام های خود را برای تبدیل شدن به یک ماده مرجع استاندارد کامل برداشته است.

شاید مایر با کمی سیب زمینی سرخ کرده و سس کچاپ جشن بگیرد.