دانشمندان مواد در آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور (LLNL) دریافته اند که در رابطه با ماندگاری و عملکرد مکانیکی طولانی مدت، فوم های سه بعدی چاپ شده بهتر از مواد سلولی استاندارد عمل می کنند.

فوم ها، که به عنوان جامدات سلولی نیز شناخته می شوند، یکی از مهم ترین گروه های مواد با گستره ی کاربردی از عایق حرارتی و چنبره ی محافظ جذب شوک تا ساختارهای سبک وزن و قطعات شناور شونده هستند. این مواد قطعات ضروری در صنایعی چون، خودروسازی، هواوفضا، الکترونیک، دریایی، زیست-پزشکی، بسته بندی و دفاعی هستند. به طور معمول، فوم ها توسط فرآیندهایی که منجر به ایجاد ساختارهایی به شدت غیریکنواخت با توزیع گسترده ی اندازه، شکل، ضخامت، اتصال و توپولوژی قابل توجه سلول های تشکیل دهنده ی آن می-شوند، ساخته می شوند.

به عنوان یک جایگزین توسعه یافته، دانشمندان در آزمایشگاه تولید افزودنی در LLNL سهولت چاپ سه بعدی ساختار فوم های یکنواخت را از طریق فرآیندی به نام “نوشتن مستقیم با جوهر” نشان داده اند. اما، از آنجایی که چاپ سه بعدی نیاز به استفاده از پلیمرهایی با خواص ویژه دارند، حائز اهمیت است که پایداری مکانیکی طولانی مدت این چنین مواد چاپ شده قبل از تجاری سازی، درک شوند. این امر به ویژه در کاربردهایی مانند چنبره های محافظ، که ماده ی فوم تحت تنش های مکانیکی طولانی مدت قرار می گیرد اهمیت ویژه ای دارد.

برای پاسخ گویی به این نیاز پایداری، تیم LLNL به سرعت آزمایش های پیرسازی را انجام دادند که در آن نمونه های فومی معمول و مواد سه بعدی چاپ شده تحت کرنش فشاری ثابت در معرض دمای بالا قرار می گیرند. شرایط تنش، عکس العمل مکانیکی و تغییر ساختار دائمی هر نمونه به مدت یک سال و در بعضی موارد بیش تر از یک سال تحت کنترل قرار گرفته است. روشی به نام “برهم نهی دما-زمان” برای مدل سازی کمی تحول خواص در طول یک دوره ی چند دهه ای تحت شرایط محیطی استفاده شده است.

این مطالعه نشان می دهد که مواد چاپ سه بعدی شده نسبت به مواد رقیب سنتی آهسته تر پیر می شوند. اما، لاستیک موجود در ماده ی چاپ شده سریع تر از لاستیک مشابه استفاده شده در فوم مرسوم پیر می شود.

برای رسیدن به درک بیش تر در رابطه با این که چرا ماده ی سلولی چاپ شده پایداری طولانی مدت زیادی نشان می دهد، تیم مذکور ریزساختار سه بعدی هر نمونه ای از فوم ها را با پرتونگاری کامپیوتری اشعه ی ایکس تصویرسازی کرد، و آنالیز المان محدود توزیع تنش را در هر ریزساختار انجام داد. آن ها دریافتند که تغییر گسترده ای درون فوم تصادفی (فومی که حفرات آن به طور تصادفی توزیع یافته است) در تنش های محلی، با نقاطی از تنش های شدید وجود دارد که به طور قابل توجهی بیش تر از نقاطی با تنش بیشینه درون فوم چاپ سه بعدی شده ی یکنواخت تر هست.
فیزیکدان محاسباتی، Amitesh Maiti اظهار دارد که، “چاپ سه بعدی فوم ها انعطاف پذیری فوق العاده ای در ساخت ساختمان های قابل برنامه ریزی، اشکال و عکس العمل های مکانیکی قابل تنظیم ارائه می دهد”. “هم اکنون پژوهش ما به طور قطع، پایداری طولانی مدت عالی و عملکرد ماده ی چاپ شده را نشان می دهد، که دلیلی برای در نظر نگرفتن جایگزینی فوم مرسوم با فوم چاپ سه بعدی شده ای که به طور مناسب برای استفاده در کاربردهای خاص در آینده طراحی شده است، وجود ندارد.