Drukowanie 4-D z odwracalnymi materiałami zmieniającymi kształty w oparciu o światło w skali odcieni szarości

Anonim

Odwracalna zmiana kształtu jest wysoce pożądaną właściwością wielu zastosowań biomedycznych, w tym mechanicznych urządzeń uruchamiających, miękkiej robotyki i sztucznych mięśni. Niektóre materiały mogą zmieniać rozmiar lub kształt po napromieniowaniu światłem, wywołując mechaniczne deformacje bez bezpośredniego kontaktu, oferując perspektywy zdalnego sterowania. Aby zaprojektować odwracalne struktury zmieniające kształt (RSC), aktywne materiały reagujące na zewnętrzne bodźce, takie jak światło, ciepło lub pola elektryczne, są używane razem z innymi nieaktywnymi materiałami. Mimo, że zaawansowane, wielomateriałowe drukowanie trójwymiarowe umożliwiło projektowanie i wytwarzanie struktur RSC, można drukować tylko określone materiały, ograniczając szerokie zastosowanie.

Alternatywnie, ostatnio zaprezentowano prostszą metodę wykorzystującą "wzór skali szarości" w celu kontrolowania rozkładu natężenia światła rzutowanego wzoru na fotopolimerach lub żywicach aktywowanych światłem i indukowania sieciowania w celu utworzenia odwracalnych, składanych i rozwijanych 2-D struktur origami. Różne natężenia światła powodowały różne gęstości usieciowania w fotokurkowanych arkuszach polimerowych. W nowym badaniu Qi i współpracownicy przenieśli wzór skali szarości dla kontrolowanego rozkładu natężenia światła z powierzchni 2-D na druk 3D, aby skonstruować struktury RSC warstwa po warstwie. Jeśli wzorce w skali szarości zostały dobrze zaprojektowane, możliwe stało się różnorodne trójwymiarowe struktury z możliwością zmniejszania się i pęcznienia odwracalnie w czasie (czwarty wymiar) dla zachowania 4-D. Wyniki są teraz publikowane w materiałach wielofunkcyjnych, IOP Science.

Jako dowód na to, że w badaniu wykorzystano drukarkę do cyfrowego przetwarzania światła (DLP) do drukowania w skali szarości 4-D ze źródłem światła z projektora UV w celu wydrukowania fotoutwardzalnego ciekłego polimeru żywicznego składającego się z diakrylanu poli (glikolu etylenowego) (PEGDA), metakrylanu butylu (BMA), akrylan butylu (BA), fotoinicjatory i fotoabsorbery. Struktura interesu została najpierw zaprojektowana i pocięta na zdjęcia odpowiadające każdej warstwie druku. Zaprojektowana skala szarości każdego obrazu w różnych pozycjach przestrzennych została przetworzona za pomocą programu Matlab i przesłana do projektora UV w celu wydrukowania. Zasada wytwarzania materiału opierała się na napromienianiu światłem dla fotoindukowanego utwardzania ciekłego roztworu żywicy. Produkt inżynierii był strukturą o różnych gęstościach usieciowania w różnych położeniach przestrzennych, aby umożliwić odwracalne zmiany kształtu.

Gdy nadrukowaną strukturę zanurzono w łaźni wodnej, rozpoczął się proces znany jako desolwatacja, ponieważ małe oligomery wewnątrz odmiennie usieciowanego materiału dyfundowały poza konstrukcję, umożliwiając deformację drukowanej struktury w kierunku mniej utwardzonej części. Opierając się na wzorach w skali szarości, utworzono wiele samozwijających się struktur poprzez deformację wywołaną desolwatacją.

Zmiana kształtu była odwracalna i stosunkowo szybka w roztworze acetonu; struktury absorbowały rozpuszczalnik, aby pęcznieć i odzyskać pierwotny kształt, pozostając w roztworze. Odzyskana struktura ponownie wygnie się po usunięciu z acetonu, odwracając się do struktury wtórnej w powietrzu.

Zasadniczo wartość skali szarości każdego piksela pokrojonego obrazu kontrolowała intensywność światła lub dawkę światła, co miało wpływ na ostateczną konwersję materiału podczas drukowania. Proces został zdigitalizowany w celu precyzyjnego kontrolowania wzoru skali szarości i powstałego konstruktu. Nowo opracowane materiały scharakteryzowano za pomocą ATR-FTIR (atenuowana spektroskopia w podczerwieni z transformatą Fouriera) w celu zmierzenia stopnia utwardzenia (DoC) próbki fotopolimeryzowanej, a następnie określenia modułu Younga do badania sztywności materiału, reakcji foto-kuracji kinetyka i kwantyfikacja desolwatacji a odzyskiwanie.

Aktywne struktury, które zmieniają kształt lub funkcję odwracalnie w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne, mają zastosowania w inżynierii lotniczej, urządzeniach medycznych i elastycznej elektronice jako polimery z pamięcią kształtu. Samorozszerzające / kurczące się struktury są przydatne jako lekkie urządzenia wykonawcze i do zastosowań jako stenty wewnątrznaczyniowe. Takie projekty zostały również opracowane w badaniu jako samorozszerzające / kurczące się materiały przy użyciu metody drukowania w skali szarości 4-D. Czas przemiany wahał się od 6 minut w acetonie i 25 minut w powietrzu. Koncepcja została następnie rozszerzona z płaskiej powierzchni na kształt sześcianu przy użyciu tej samej metody, czas odzyskiwania w acetonie wynosił około 4 min, a czas suszenia w powietrzu wynosił 8 min. Stosując tę ​​samą koncepcję Wu i in. stworzyło również strukturę podobną do kwiatu, aby skurczyć się w roztworze i zakwitnąć w powietrzu.

Naukowcy opracowali ponadto zaawansowane struktury auksetyczne lub metamateriały (które mają wewnętrznie ujemny współczynnik Poissona) w połączeniu z normalnymi materiałami (dodatni współczynnik Poissona), wykorzystując technikę drukowania, do konstruowania transformacji między tymi dwoma.

Metoda druku w skali szarości 4-D została opracowana jako dowód na to, że zapewnia prostą i ekonomiczną technikę tworzenia aktywnych struktur. Autorzy proponują szereg potencjalnych zastosowań biomedycznych dla materiałów inżynierskich jako materiałów kompozytowych w miękkiej robotyzacji i stentach wewnątrznaczyniowych.

menu
menu