تاریخ شروع : 1403/07/18
مهلت ارسال : 1403/08/18
گرنت صندوق نوآوری و شکوفایی:
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 850 میلیون تومان
حمایت بلاعوض از طرح تا سقف 850 میلیون تومان
دستیابی به دانش فنی پرینت سهبعدی به روش تولید پیوسته با سرعت بالا برای کاربردهای زیستی
خلاصه فناوری
به دلیل وجود تفکر طراحی مهندسی در ساخت و تولید پرینترهای سهبعدی موجود در بازار، امکان کاربردهای زیستی و پزشکی این نوع از پرینترها بسیار محدود هستند. چرا که استفاده از موادزیستی، دارویی و سلول‌ها با حساسیت‌ها و محدودیت‌هایی روبرو است. به همین سبب اگر این محدودیت‌ها در ساخت، طراحی و تولید مدنظر قرار بگیرد میتوان به نسخه جدیدی از پرینترهای سهبعدی رسید که کاربردهای زیستی فراوانی خواهند داشت. از طرف دیگر پرینترهای سهبعدی که در کشور ما تولید می‌شوند از نوع پرینتر‌هایی هستند که یک یا چند نازل را در راستای محورهای x و y و z کنترل می‌کنند. این نوع پرینترها که میتوان از آنها به‌عنوان پرینترهای سنتی نام برد دارای معایب بزرگی از جمله محدودیت‌های جدی در مواد مصرفی، ناپیوستگی (پرینت لایه به لایه)، محدودیت در خواص مکانیکی محصول نهایی و سرعت چاپ بسیار پایین هستند.
هدف از اجرای این طرح دستیابی به امکان استفاده همزمان از فناوریهای پردازش دیجیتال نور و تولید واسط مایع پیوسته (CLIP) است. بدین منظور پرینت قطعه نهایی به‌صورت یکپارچه، پیوسته و با خواص مکانیکی همگن در تمامی جهتها انجام خواهد گرفت. با حذف دو مرحله از مراحل پرینت، همچون اسکن هر لایه و حذف زمان مورد نیاز بین لایه‌های پرینت، به کمک تکنولوژی CLIP امکان ایجاد قطعات باکیفیت بالا و یکپارچه فراهم میشود. در نتیجه با این تکنولوژی چاپ میتوان مدت‌زمان تولید محصول نهایی را 10 الی 20 برابر نسبت به پرینترهای موجود در بازار کاهش داد (سرعت پرینتر مورد نظر 50 تا 80 میلی‌متر بر ساعت خواهد بود). طراحی پنجره نفوذپذیر اکسیژن با قابلیت آبگریزی به‌منظور افزایش سرعت پرینت از اهمیت بالایی برخوردار است. از طرفی ماژول سخت‌افزاری پرینتر به‌منظور بررسی سختی مواد تحت پرینت می‌تواند بهبود قابل‌توجهی در تولید قطعات باکیفیت بالا ایجاد کند. این پرینتر قادر خواهد بود تا قطعاتی با سایز (80*50*90 mm) را با رزولوشن میانگین 180 میکرومتر تولید کند.
به دلیل وجود تفکر طراحی مهندسی در ساخت و تولید پرینترهای سهبعدی موجود در بازار، امکان کاربردهای زیستی و پزشکی این نوع از پرینترها بسیار محدود هستند. چرا که استفاده از موادزیستی، دارویی و سلول‌ها با حساسیت‌ها و محدودیت‌هایی روبرو است. به همین سبب اگر این محدودیت‌ها در ساخت، طراحی و تولید مدنظر قرار بگیرد میتوان به نسخه جدیدی از پرینترهای سهبعدی رسید که کاربردهای زیستی فراوانی خواهند داشت. از طرف دیگر پرینترهای سهبعدی که در کشور ما تولید می‌شوند از نوع پرینتر‌هایی هستند که یک یا چند نازل را در راستای محورهای x و y و z کنترل می‌کنند. این نوع پرینترها که میتوان از آنها به‌عنوان پرینترهای سنتی نام برد دارای معایب بزرگی از جمله محدودیت‌های جدی در مواد مصرفی، ناپیوستگی (پرینت لایه به لایه)، محدودیت در خواص مکانیکی محصول نهایی و سرعت چاپ بسیار پایین هستند.
هدف از اجرای این طرح دستیابی به امکان استفاده همزمان از فناوریهای پردازش دیجیتال نور و تولید واسط مایع پیوسته (CLIP) است. بدین منظور پرینت قطعه نهایی به‌صورت یکپارچه، پیوسته و با خواص مکانیکی همگن در تمامی جهتها انجام خواهد گرفت. با حذف دو مرحله از مراحل پرینت، همچون اسکن هر لایه و حذف زمان مورد نیاز بین لایه‌های پرینت، به کمک تکنولوژی CLIP امکان ایجاد قطعات باکیفیت بالا و یکپارچه فراهم میشود. در نتیجه با این تکنولوژی چاپ میتوان مدت‌زمان تولید محصول نهایی را 10 الی 20 برابر نسبت به پرینترهای موجود در بازار کاهش داد (سرعت پرینتر مورد نظر 50 تا 80 میلی‌متر بر ساعت خواهد بود). طراحی پنجره نفوذپذیر اکسیژن با قابلیت آبگریزی به‌منظور افزایش سرعت پرینت از اهمیت بالایی برخوردار است. از طرفی ماژول سخت‌افزاری پرینتر به‌منظور بررسی سختی مواد تحت پرینت می‌تواند بهبود قابل‌توجهی در تولید قطعات باکیفیت بالا ایجاد کند. این پرینتر قادر خواهد بود تا قطعاتی با سایز (80*50*90 mm) را با رزولوشن میانگین 180 میکرومتر تولید کند.
ضرورت مسئله
در گزارش ارائه شده توسط انجمن تولیدات مهندسی در آمریکا، سرمایه‌گذاری در فناوریهای سهبعدی پس از COVID-19، از فناوری‌هایی مانند رباتیک، 5G، امنیت دیجیتال و هوش مصنوعی بیشتر بوده است. این نشان می‌دهد که افزایش سرمایه‌گذاری تولیدکنندگان در فناوریهای سهبعدی احتمالاً رشد بازار را در آینده افزایش می‌دهد که نشان از اهمیت و تأثیرگذاری این فناوری‌ها بر روی صنایع مختلف و اقتصاد جهانی دارد.
در حال حاضر، پرینت سهبعدی عمدتاً در ساخت تجهیزات جراحی، ایمپلنت‌های پزشکی و ایمپلنت‌هایی با ساختار پیچیده در قسمت‌های داخلی بدن به‌شدت مورد استفاده قرار می‌گیرد. طبق آمار آکادمی ایمپلنت دندانپزشکی آمریکا، تعداد افراد دارای ایمپلنت دندان در ایالات متحده به ۳ میلیون نفر رسیده است. همچنین این تعداد، سالانه ۵۰۰،۰۰۰ عدد در حال افزایش است و بنابراین تقاضا برای محصولات پرینت سهبعدی دندان افزایش می‌یابد.
از بزرگ‌ترین تفاوت‌ها در این تکنولوژی (پرینت پیوسته)، سرعت پرینت و یا زمان کمتر موردنیاز جهت جامدسازی رزین حساس به نور، طول عمر و تنوع رزین مصرفی، استحکام بالا و دقت بالا است. اجرای فرایند CLIP به طور چشمگیری سرعت چاپ را بهبود میبخشد و تولید قطعات را به‌جای چند ساعت در عرض چند دقیقه امکان‌پذیر میکند. DLPهای موجود در کشور دارای تکنولوژی CLIP نیستند. به همین جهت سرعت پرینت و استحکام در این پرینترها غیرقابل مقایسه با فناوریCLIP است (مدت‌زمان چاپ با فناوری CLIP 10 الی 20 برابر نسبت به پرینترهای موجود در بازار کاهش می‌یابد).
در گزارش ارائه شده توسط انجمن تولیدات مهندسی در آمریکا، سرمایه‌گذاری در فناوریهای سهبعدی پس از COVID-19، از فناوری‌هایی مانند رباتیک، 5G، امنیت دیجیتال و هوش مصنوعی بیشتر بوده است. این نشان می‌دهد که افزایش سرمایه‌گذاری تولیدکنندگان در فناوریهای سهبعدی احتمالاً رشد بازار را در آینده افزایش می‌دهد که نشان از اهمیت و تأثیرگذاری این فناوری‌ها بر روی صنایع مختلف و اقتصاد جهانی دارد.
در حال حاضر، پرینت سهبعدی عمدتاً در ساخت تجهیزات جراحی، ایمپلنت‌های پزشکی و ایمپلنت‌هایی با ساختار پیچیده در قسمت‌های داخلی بدن به‌شدت مورد استفاده قرار می‌گیرد. طبق آمار آکادمی ایمپلنت دندانپزشکی آمریکا، تعداد افراد دارای ایمپلنت دندان در ایالات متحده به ۳ میلیون نفر رسیده است. همچنین این تعداد، سالانه ۵۰۰،۰۰۰ عدد در حال افزایش است و بنابراین تقاضا برای محصولات پرینت سهبعدی دندان افزایش می‌یابد.
از بزرگ‌ترین تفاوت‌ها در این تکنولوژی (پرینت پیوسته)، سرعت پرینت و یا زمان کمتر موردنیاز جهت جامدسازی رزین حساس به نور، طول عمر و تنوع رزین مصرفی، استحکام بالا و دقت بالا است. اجرای فرایند CLIP به طور چشمگیری سرعت چاپ را بهبود میبخشد و تولید قطعات را به‌جای چند ساعت در عرض چند دقیقه امکان‌پذیر میکند. DLPهای موجود در کشور دارای تکنولوژی CLIP نیستند. به همین جهت سرعت پرینت و استحکام در این پرینترها غیرقابل مقایسه با فناوریCLIP است (مدت‌زمان چاپ با فناوری CLIP 10 الی 20 برابر نسبت به پرینترهای موجود در بازار کاهش می‌یابد).
مسئله اصلی تحقیق
با توجه به نیاز روزافزون صنعت و تکنولوژی به ساخت قطعات باکیفیت، معرفی پرینتر سهبعدی رومیزی صنعتی، به مشتریان نهایی کمک میکند تا هزینه‌های اولیه را کاهش دهند. پرینترهای رومیزی به‌راحتی قابل استفاده و کار هستند. این کار باعث میشود علاوه بر راندمان بالای تولید قطعات، فضای بسیار اندکی برای تولید قطعات موردنیاز باشد و همچنین نسبت به همتایان خارجی خود قیمت کمتری داشته باشند.
مقیاس جهانی
با توجه به نیاز روزافزون صنعت و تکنولوژی به ساخت قطعات باکیفیت، معرفی پرینتر سهبعدی رومیزی صنعتی، به مشتریان نهایی کمک میکند تا هزینه‌های اولیه را کاهش دهند. پرینترهای رومیزی به‌راحتی قابل استفاده و کار هستند. این کار باعث میشود علاوه بر راندمان بالای تولید قطعات، فضای بسیار اندکی برای تولید قطعات موردنیاز باشد و همچنین نسبت به همتایان خارجی خود قیمت کمتری داشته باشند.
مقیاس جهانی
با توجه به تحلیل‌ها و بررسیهای انجام شده از سال ۲۰۱۹ تا ۲۰۳۰، اندازه بازار پرینت ۳ بعدی در سال ۲۰۲۲ حدود ۳۳/۱۸ میلیارد دلار بود و در سال ۲۰۲۳ به 37/20 میلیارد دلار رسید، درحالی‌که پیش‌بینی میشود در سال ۲۰۳۰ این مقدار به ۹۹/۱۰۵ میلیارد دلار با نرخ رشد ترکیبی سالانه[1] 9/24 درصد دست یابد[2].
بخش سخت‌افزار در سال ۲۰۲۲ بیش از 01/64 درصد از درآمد جهانی را به خود اختصاص داد و رهبری در بازار در این فناوری را از آن خود کرد. رشد این بخش به عوامل مختلفی مانند سرعت رشد بالای صنعت، افزایش نیاز محصولات الکترونیکی مصرفی، توسعه زیرساخت‌های عمرانی، افزایش جمعیت شهرنشینی و بهینه‌سازی هزینه‌های نیروی کار نسبت داده میشود2.
همچنین نمونه‌سازی، یکی از بزرگ‌ترین سهمهای بازار پرینت سهبعدی را در سال ۲۰۲۲ به دلیل پذیرش گسترده فرایند نمونه‌سازی در بخش‌های مختلف صنعتی به خود اختصاص داد. نمونه‌سازی به کسب‌وکارها کمک میکند تا به‌دقت بیشتری دست یابند و محصولات نهایی ثابتی تولید کنند.
بخش سخت‌افزار در سال ۲۰۲۲ بیش از 01/64 درصد از درآمد جهانی را به خود اختصاص داد و رهبری در بازار در این فناوری را از آن خود کرد. رشد این بخش به عوامل مختلفی مانند سرعت رشد بالای صنعت، افزایش نیاز محصولات الکترونیکی مصرفی، توسعه زیرساخت‌های عمرانی، افزایش جمعیت شهرنشینی و بهینه‌سازی هزینه‌های نیروی کار نسبت داده میشود2.
همچنین نمونه‌سازی، یکی از بزرگ‌ترین سهمهای بازار پرینت سهبعدی را در سال ۲۰۲۲ به دلیل پذیرش گسترده فرایند نمونه‌سازی در بخش‌های مختلف صنعتی به خود اختصاص داد. نمونه‌سازی به کسب‌وکارها کمک میکند تا به‌دقت بیشتری دست یابند و محصولات نهایی ثابتی تولید کنند.
مقیاس خاورمیانه
بر اساس بررسیهای انجام شده، پذیرش فناوری چاپ سهبعدی در منطقه خاورمیانه تاکنون کند بوده است. اما تحقیقات نشان می‌دهد که در منطقه شورای همکاری خلیج‌فارس که شامل کشورهای عربستان سعودی، امارات متحده عربی، عمان، قطر، کویت و بحرین است، نرخ رشد استفاده از فناوری چاپ سهبعدی حدود ۱۱ درصد بالاتر از میانگین جهانی است. بازار مراقبت‌های بهداشتی در منطقه خاورمیانه با نرخ رشد ۱۰ درصد در حال گسترش است که دو برابر سریع‌تر از بازار جهانی در این زمینه است. عربستان سعودی و قطر به‌عنوان پیشرو و فعال‌ترین کشورها در بهره‌برداری از فناوری چاپ سهبعدی شناخته می‌شوند و در زمینه تحقیق و توسعه برای بهبود کاربردهای فناوریهای پیشرفته فعالیت می‌کنند. همچنین، با رشد بخش تولید در امارات متحده عربی، بازار چاپ سهبعدی در منطقه خاورمیانه نیز به طور قابل‌توجهی توسعه‌یافته است.
اما در هرکدام از بررسیهای انجام شده، نقش ایران در این فناوری بسیار کم‌رنگ است. با توجه به تحریم‌های سنگین کشور و همچنین قیمت بسیار بالای پرینتر با تکنولوژی پرینت پیوسته، امکان واردات دستگاه‌های خارجی با این تکنولوژی امکان‌پذیر نیست. از طرفی ضعف پرینترهای موجود (مانند سرعت پرینت و استحکام نمونه) و همچنین نبود این تکنولوژی در کشور، تیم فناور را درصدد طراحی پرینتر سهبعدی با تکنولوژی CLIP کرده است تا علاوه بر دستیابی ایران به این تکنولوژی، مشکلات متعددی که در رابطه با تکنولوژی CLIPگزارش شده است را با طراحی دقیقتر برطرف کند و فناوری نوینی در رابطه با این تکنولوژی ارائه دهد.
بر اساس بررسیهای انجام شده، پذیرش فناوری چاپ سهبعدی در منطقه خاورمیانه تاکنون کند بوده است. اما تحقیقات نشان می‌دهد که در منطقه شورای همکاری خلیج‌فارس که شامل کشورهای عربستان سعودی، امارات متحده عربی، عمان، قطر، کویت و بحرین است، نرخ رشد استفاده از فناوری چاپ سهبعدی حدود ۱۱ درصد بالاتر از میانگین جهانی است. بازار مراقبت‌های بهداشتی در منطقه خاورمیانه با نرخ رشد ۱۰ درصد در حال گسترش است که دو برابر سریع‌تر از بازار جهانی در این زمینه است. عربستان سعودی و قطر به‌عنوان پیشرو و فعال‌ترین کشورها در بهره‌برداری از فناوری چاپ سهبعدی شناخته می‌شوند و در زمینه تحقیق و توسعه برای بهبود کاربردهای فناوریهای پیشرفته فعالیت می‌کنند. همچنین، با رشد بخش تولید در امارات متحده عربی، بازار چاپ سهبعدی در منطقه خاورمیانه نیز به طور قابل‌توجهی توسعه‌یافته است.
اما در هرکدام از بررسیهای انجام شده، نقش ایران در این فناوری بسیار کم‌رنگ است. با توجه به تحریم‌های سنگین کشور و همچنین قیمت بسیار بالای پرینتر با تکنولوژی پرینت پیوسته، امکان واردات دستگاه‌های خارجی با این تکنولوژی امکان‌پذیر نیست. از طرفی ضعف پرینترهای موجود (مانند سرعت پرینت و استحکام نمونه) و همچنین نبود این تکنولوژی در کشور، تیم فناور را درصدد طراحی پرینتر سهبعدی با تکنولوژی CLIP کرده است تا علاوه بر دستیابی ایران به این تکنولوژی، مشکلات متعددی که در رابطه با تکنولوژی CLIPگزارش شده است را با طراحی دقیقتر برطرف کند و فناوری نوینی در رابطه با این تکنولوژی ارائه دهد.
درباره تیم پژوهشی
| نام و نام خانوادگی | رشته/ مقطع تحصیلی | همکار/ مشاور طرح | وضعیت شغلی |
| محمدمهدی طاهری | دکترای مهندسی مواد - زیست مواد | مجری | عضو هیئت‌علمی/دانشگاه علوم پزشکی تهران |
| بهادر مکی‌آبادی | دکترای مهندسی پزشکی - بیوالکتریک | همکار | عضو هیئت‌علمی/دانشگاه علوم پزشکی تهران |
| مریم میرزایی | دکترای مهندسی شیمی | همکار | دانشآموخته |
| عرفان خلعتبری | دکترای مهندسی پزشکی - بیومتریال | همکار | دانشجو |
| الهام سالار رضایی | دکترای مهندسی پزشکی - بیومتریال | همکار | دانشجو |
سوابق عرضه‌کننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی
دکتر محمدمهدی طاهری، عضو هیئت‌علمی و استادیار گروه زیست مواد دارویی دانشکده داروسازی دانشگاه علوم پزشکی تهران و دارای سوابق طراحی و سنتز زیست مواد، مواد دوبعدی، غشا و همچنین به واسطه تحصیل در دوره کارشناسی رشته برق، گرایش الکترونیک دارای سوابق طراحی و ساخت سیستم‌های مکاترونیک و رباتیک بوده و در این زمینه‌ها علاوه بر چاپ 24 مقاله بین‌المللی، موفق به ثبت 5 پتنت بین‌المللی نیز شده است.
دکتر بهادر مکی‌آبادی، عضو هیئت‌علمی و دانشیار گروه مهندسی پزشکی (با گرایش بیوالکتریک) در پژوهشکده فناوری‌ها و تجهیزات پیشرفته پزشکی دانشگاه علوم پزشکی تهران و دارای سوابق طراحی و تولید سیستم‌ها و تجهیزات پزشکی از جمله ساخت ماژول‌های تشخیصی و مانیتورینگ سیگنال‌های حیاتی و مغز، برنامه‌نویسی، سیستم تصویربرداری فراصوت، و پردازشگر سیستم کاشت حلزونی شنوایی بوده و در این زمینه‌ها علاوه بر چاپ بیش از 80 مقاله بین‌المللی، موفق به ثبت اختراعات ملی و پتنت‌های بین‌المللی نیز شده است.
مزایا
- منبع نوری مورد استفاده در این پرینتر قابلیت پرینت با رزولوشن چند میکرون را دارد.
- رویکرد مبتنی بر (Mask Projection-Based Approach)، امکان پرینت سریع را در مقایسه با فرایندهای چندمرحله‌ای مرسوم تضمین میکند. این در حالی است که این رویکرد نیاز به جاروبی زمان‌بر در صفحه XY دارد. در پرینترهای DLP به دلیل وجود ماسکی دینامیک همچون DMD این ضعف برطرف گردیده است.
پتانسیل استفاده از تنوع بالای مواد مصرفی در فناوری DLP امکان ساخت قطعات کاربردی را بیش از دیگر فناوری‌ها ارائه میکند.
- پرینت مواد زیستی (Biomaterials)، به دلیل وجود منبع نوری کم‌انرژی DLP و متعاقباً دمای پایین، امکان استفاده از مواد زیستی را میسر میکند.
- چاپ‌های CLIP دارای دقت و کیفیت سطح بهتری نسبت به پرینت‌های DLP هستند و ۱۰۰ برابر سریع‌تر تکمیل می‌شوند.
- چاپ‌های CLIP یک‌لایه هستند و سطح آنها دارای پستی و بلندی کمتری است که با قطعات قالب‌گیری تزریقی قابل‌مقایسه میباشد.
- قطعات، کاملاً خواص مکانیکی همسانگرد دارند (در هر جهتی استحکام دارند) و نسبت به چاپ‌های DLP استحکام بیشتری دارند.
- قطعات را میتوان برای نمونه‌سازی کاربردی و حتی برای اجرای کامل تولید استفاده کرد.
- انتخاب مواد برای پرینترهای CLIP/DLS بسیار متنوع و منحصر به بسیاری از انواع پرینترهای دیگر است.
- در حالی‌‌که سرعت چاپ سهبعدی با استفاده از روش چاپ سهبعدی استریولیتوگرافی (SLA) می‌تواند تا یازده و نیم ساعت و در تف‌جوشی لیزری انتخابی (SLS) تا سه ساعت و نیم طول بکشد، فناوری CLIPمی‌تواند زمان پرینت همان مدل را به شش و نیم دقیقه کاهش دهد.
کاربرد
- استفاده از فناوری CLIP به دلیل فراهم‌ساختن محصول تمام شده نهایی باکیفیت و همچنین خواص مکانیکی مناسب، به‌شدت مورد توجه صنایع مختلف قرار گرفته است. صنایع ورزشی، کیف و کفش (آدیداس)، قطعات خودرو، دندانپزشکی، داروسازی، جواهرات، اسباب‌بازی، پزشکی بازساختی و ترمیم بافت، هوافضا و دفاع، معماری و ساخت‌وساز، مراقبت‌های بهداشتی، محصولات مصرفی و آموزش.
خروجی‌های مورد انتظار تحقیق
- طراحی و ساخت پنجره غشا/قاب
- طراحی و ساخت ماژول‌های دقیق الکترونیک و مکانیکی مورد نیاز
- تجمیع سیستم و راه‌اندازی تکنولوژی پرینت پیوسته
- طراحی و به‌کارگیری ماژول سخت‌افزاری تخمین نسبی سختی مواد تحت پرینت
- تولید نمونه با تکنولوژی بهبودیافته و بررسی خواص و ویژگی‌ها و برتری‌های آن
- کاهش مدت‌زمان چاپ 10 الی۲۰ برابر نسبت به پرینترهای سهبعدی موجود در بازار
- تولید قطعاتی با سایز (80*50*90 mm) و با رزولوشن میانگین 180 میکرومتر
هزینه و زمان اجرای طرح
- هزینه اجرای طرح حدود 850 میلیون تومان برآورد میشود.
- مدت‌زمان اجرای طرح حدود 12 ماه برآورد میشود.
تسهیم مالکیت فکری
- مالکیت معنوی: مشارکت‌کننده در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و مشارکت‌کننده در ژورنال‌های داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانس‌ها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دست‌اندرکاران مجاز خواهد بود.
- مالکیت منافع مادی: سهم مشارکت شرکت/شتاب‌دهنده متقاضی حداقل 10 و حداکثر 35 درصد خواهد بود (منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری بر اساس توافق طرفین و مشترک خواهد بود و با توجه به سهم آورده نقدی و غیرنقدی توسعه‌دهنده، سهم مالکیت قابل مذاکره و توافق است).
ارتباط با ما
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@