پرینت 3 بعدی مواد پیزو الکتریک

با سلام

مهندسین مکانیک فرآیندی را توسعه دادند که از طریق آن قادر به پرینت سه بعدی مواد پیزو الکتریک شدند.
در این مقاله میخواهیم پرینتر 3 بعدی مواد پیزو الکتریک را بشناسییم و کاربردهایش را بررسی کنیم.

در ادامه مطلب با آقای مهندس همراه باشید

از تکنیک ها و مواد جدید پرینت می توان برای توسعه ی مواد هوشمند و ترانسیوسر و زیربناهای خود تطبیق استفاده کرد. مواد پیزو الکتریک که در همه جا از جمله تلفن هوشمند تا کارت های تبریک موزیکال قرار دارند، ممکن است به کمک مقاله ای که اخیرا در ژورنال مواد طبیعی به چاپ رسید  از لجاظ پیشرفت به مرحله ای جدید برسند. ژیائو ژنگ استادیاد مهندسی مکانیک در دانشگاه علوم مهندسی به همراه تیمش فرایند پرینت سه بعدی مواد پیزو الکتریک را توسعه داده اند که می تواند بصورت سفارشی برای تبدیل حرکت، برخورد و تنش در هر جهتی به انرژی الکتریکی طراحی شود. ژنگ می گوید “مواد پیزو الکتریک تنش و کرنش را به شارژ الکتریکی تبدیل می کنند” . مواد پیزو الکتریک تنها در شکل های مشخصی و از سرامیک و بلور (نوعی که نیاز به اتاق تمیز برای تولید دارد) تولید می شوند. تیم ژنگ یک تکنیک برای پرینت سه بعدی این مواد توسعه داده که در نتیجه دیگر شکل و سایز آنها دارای محدودیت نیست. همچنین این ماده می تواند فعال شود که امکان تولید نسل بعدی زیربناهای هوشمند و مواد هوشمند برای حس لمس، مانیتور برخورد و ارتعاش، ذخیره انرژی و … را فراهم می کند.

آزادی در طراحی پیزوالکتریک ها

مواد پیزوالکتریک در قرن نوزدهم کشف شدند. از آن به بعد پیشرفت در تکنولوژی تولید، منجر به تولید فیلم ها و بلوک هایی شد که بعد از ماشینکاری به الکترونها متصل هستند.  گرانی فرایند تولید و ذات شکننده ماده، باعث محدود کردن پتانسیل های این ماده شده بود. تیم ژنگ مدلی را توسعه دادند که به آنها اجازه میداد پیزوالکتریک های دلخواهی طراحی کرده و بسازند که باعث شد ماده ای تولید شود که در پاسخ به نیرو و ارتعاش از هر جهتی، شارژ الکتریکی تولید کند. برخلاف پیزوالکتریک های مرسوم که حرکات شارژ الکتریکی توسط کریستال های ذاتی تعیین می شود، در روش جدید به کاربران اجازه می دهد تا پاسخ های  ولتاژ را تعیین و برنامه نویسی کنند تا بزرگتر، معکوس و یا در هر جهتی بشود. ژنگ می گوید “ما یک روش طراحی و پلتفرم پرینت توسعه داده ایم تا آزادانه حالت کاری و حساسیت مواد پیزوالکتریک را طراحی کنیم”. “با  برنامه نویسی توپولوژی فعال سه بعدی، شما می توانید به هر ترکیبی از ضریب های پیزوالکتریک در یک ماده دست یابید و از آنها به عنوان ترانسیوسر و سنسورهایی که نه تنهای قوی و انعطاف پذیرند بلکه از طریق سیگنال های الکتریکی به ارتعاش و برخورد پاسخ می دهند که در هر نقطه از این مواد باشد، مکان، بزرگی و جهت برخورد را می گوید”

بیشتر بخوانید : پرینتر 3 بعدی که قادر است خانه بسازد!

پرینت سه بعدی پیزوالکتریک ها، سنسورها و ترانسیوسرها

یک فاکتور در ساخت پیزوالکتریک های فعلی، کریستال طبیعی استفاده شده است. در مقیاس اتمی، جهت اتمها ثابت است. تیم ژنگ جایگزینی درست کرده اند که از کریستال ها تقلید می کند اما به جهت شبکه اجازه تغییر توسط طراحی را می دهد. ژنگ می گوید “ما یک کلاس از مرکب های پیزوالکرتیک بسیار حساس را ترکیب کرده ایم که می تواند توسط نور ماورای بنفش در شکل های سه بعدی پیچیده نقش بندی شود. مرکب شامل نانوکریستال های بسیار متمرکز پیزوالکتریک است که با ژل حساس به اشعه ماورای بنفش به هم چسبیده است و تشکیل یک محلول را می دهد (یک محلول شیری شبیه کریستال مایع) که ما آن را از طریق یک پرینتر نوری سه بعدی دیجیتال با رزلوشن بالا پرینت می گیریم. تیم نشان داد که ماده ی سه بعدی پرینت شده، در مقیاس کسری از قطر موی انسان است. ژنگ می گوید “ما می توانیم معماری آن را طوری کنیم تا انعطاف پذیرتر شوند و از آنها به عنوان مثال برای وسایل ذخیره انرژی استفاده کنیم یا آنها را دور هر منحنی چرخان بپیچیم” . “ما می توانیم آن ها را کلفت، سبک، سفت یا جاذب انرژی کنیم. ماده داری حساسیتی پنج برابر بیشتر از پلیمرهای پیزوالکتریک انعطاف پذیر است. سختی و شکل ماده می تواند تنظیم شود و بصورت یک ورقه نازک شبیه باریکه توری و یا بلوک سفت تولید شود. ژنگ می گوید “ما تیمی داریم که آنها را بصورت وسایل پوشیدنی نظیر حلقه، کفی کفش تولید می کند و آنها را در دستکش بکس جاسازی می کند که در نتیجه ما قادر هستیم نیروهای برخورد را ضبط و سلامت کاربر را مانیتور کنیم” همچنین توانایی دستیابی به خواص مطلوب مکانیکی، الکتریکی و حرارتی، به طور قابل توجهی زمان و تلاش لازم برای پیشرفت مواد کاربردی را کاهش می دهد.

بیشتر بخوانید : نحوه ساختن پرینتر 3 بعدی با مواد اولیه چوب و کاغذ

استفاده های جدید

تیم مواد هوشمند را پرینت گرفته و نشان داده که حول سطوح منحنی پیچانده شده، روی دست یا انگشتان برای تبدیل حرکت و ذخیره انرژی مکانیک پوشیده شده، اما استفاده های آن فراتر از وسایل پوشیدنی و وسایل الکترونیکی مصرفی است. ژنگ این تکنولوژی را یک پرش به سمت رباتیک، ذخیره انرژی ، حس لامسه و زیرساخت های هوشمند می بیند. جایی که سازه کاملا توسط مواد پیزوالکتریک ساخته شده و برخوردها و ارتعاشات و حرکات را لمس می کد و این امکان را میدهد تا آنها مانیتور و جایابی شوند. تیم یک پل کوچک هوشمند پرینت گرفته است تا نشان دهد می تواند مکان یک برخورد را به همراه بزرگی آن لمس کند درحالیکه توانایی کافی برای جذب انرژی برخورد دارد. تیم همچنان استفاده از یک ترانسیور هوشمند را که می تواند سیگناهای ارتعاشی زیر آب را به ولتاژهای الکتریکی تبدیل کنند نشان داد. چنانچه شما می خواستید بطور سنتی مقاومت یک سازه را مانیتور کنید، شما نیازمند به داشتن سنسورهای مجزا که در همه جای سازه جایگذاری شده اند داشتید، که هرکدام دارای تعدادی اتصالات و رابط بود اما در اینجا خود سازه یک سنسور است و می تواند خود را مانیتور کند.