4-D-Druck reversible formverändernde Materialien mit lichtbasierter Graustufendarstellung

Anonim

Die reversible Formänderung ist eine höchst wünschenswerte Eigenschaft für viele biomedizinische Anwendungen, einschließlich mechanischer Aktuatoren, weicher Roboter und künstlicher Muskeln. Einige Materialien können ihre Größe oder Form ändern, wenn sie mit Licht bestrahlt werden, wodurch mechanische Verformung ohne direkten Kontakt ausgelöst wird, was Aussichten für eine Fernsteuerung bietet. Um reversible, formverändernde (RSC) Strukturen zu entwickeln - aktive Materialien, die auf äußere Reize wie Licht, Wärme oder elektrische Felder reagieren, werden zusammen mit anderen nicht aktiven Materialien verwendet. Obwohl der fortschrittliche 3-D-Multi-Material-Druck das Design und die Herstellung von RSC-Strukturen ermöglicht, können nur bestimmte Materialien gedruckt werden, was eine breite Verwendung einschränkt.

Als Alternative wurde kürzlich eine einfachere Methode vorgestellt, bei der das "Graustufenmuster" verwendet wurde, um die Lichtintensitätsverteilung eines projizierten Musters auf Photopolymeren oder lichtaktivierten Harzen zu steuern und eine Vernetzung zu induzieren, um reversible, sich selbst faltende und sich entfaltende 2-D-Origami-Strukturen zu erzeugen. Unterschiedliche Lichtintensitäten führten zu unterschiedlichen Vernetzungsdichten innerhalb der photogehärteten Polymerfolien. In einer neuen Studie übertrugen Qi und Mitarbeiter das Graustufenmuster für die kontrollierte Lichtintensitätsverteilung von einer 2-D-Oberfläche auf 3D-Druck, um Schicht für Schicht RSC-Strukturen zu erzeugen. Wenn die Graustufenmuster gut entworfen wurden, wurde eine Vielzahl von 3-D-Strukturen mit der Fähigkeit, reversibel in der Zeit (vierte Dimension) für 4-D-Verhalten zu schrumpfen und anzuschwellen, ermöglicht. Die Ergebnisse werden jetzt in Multifunctional Materials, IOP Science, veröffentlicht.

Als Beweis des Prinzips verwendete die Studie einen DLP-Drucker (Digital Light Processing) für den 4-D-Graustufendruck mit einer UV-Projektorlichtquelle, um ein photohärtbares flüssiges Harzpolymer aus Poly (ethylenglycol) diacrylat (PEGDA), Butylmethacrylat, zu drucken (BMA), Butylacrylat (BA), Photoinitiatoren und Photoabsorbern. Die Struktur von Interesse wurde zuerst entworfen und in Bilder geschnitten, die jeder Druckschicht entsprachen. Die entworfene Graustufe jedes Bildes an verschiedenen räumlichen Positionen wurde mit Matlab verarbeitet und zum Drucken an den UV-Projektor weitergeleitet. Das Prinzip der Materialherstellung basierte auf der Bestrahlung mit Licht zur photoinduzierten Aushärtung der flüssigen Harzlösung. Das technische Produkt war eine Struktur mit verschiedenen Vernetzungsdichten an verschiedenen räumlichen Positionen, um reversible Formänderungen zu ermöglichen.

Wenn die gedruckte Struktur in ein Wasserbad eingetaucht wurde, begann ein als Desolvation bekanntes Verfahren, da kleine Oligomere innerhalb des ungleichvernetzten Materials aus der Struktur diffundierten, wodurch sich die gedruckte Struktur zu dem weniger gehärteten Teil hin verformen konnte. Basierend auf dem Entwurf von Graustufenmustern wurde eine Vielzahl von selbstfaltungsfähigen Strukturen durch desolvationsinduzierte Deformation gebildet.

Die Formänderung war in einer Acetonlösung reversibel und relativ schnell; Strukturen absorbierten das Lösungsmittel, um zu quellen und seine ursprüngliche Form wiederherzustellen, während es noch in Lösung war. Die wiedergewonnene Struktur würde sich beim Entfernen aus Aceton erneut verbiegen und zu ihrer sekundären Struktur in Luft zurückkehren.

Im Prinzip kontrollierte der Graustufenwert jedes Pixels des geschnittenen Bildes die Lichtintensität oder Lichtdosis, was die endgültige Umwandlung des Materials während des Druckens beeinflusste. Der Prozess wurde digitalisiert, um das Graustufenmuster und das resultierende Konstrukt präzise zu steuern. Neu entwickelte Materialien wurden unter Verwendung von ATR-FTIR (abgeschwächte Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie) zur Messung des Härtungsgrades (DoC) der photopolymerisierten Probe charakterisiert, gefolgt von der Quantifizierung des Elastizitätsmoduls, um die Materialsteifigkeit, Photo-Curation-Reaktion zu testen Kinetik und die Quantifizierung von Desolvatation vs.

Aktive Strukturen, die ihre Form ändern oder reversibel auf äußere Reize reagieren, haben Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik, in medizinischen Geräten und in der flexiblen Elektronik als Formgedächtnispolymere. Selbstexpandierende / schrumpfende Strukturen sind nützlich als leichte Aktuatoren und für Anwendungen als endovaskuläre Stents. Solche Designs wurden auch in der Studie als selbstexpandierende / schrumpfende Materialien unter Verwendung des Graustufen-4-D-Druckverfahrens konstruiert. Die Zeit für die Transformation variierte zwischen 6 Minuten in Aceton und 25 Minuten in Luft. Das Konzept wurde dann von einer flachen Oberfläche zu einer Würfelform unter Verwendung des gleichen Verfahrens verlängert, die Erholungszeit in Aceton betrug etwa 4 Minuten und die Trocknungszeit in Luft betrug 8 Minuten. Mit dem gleichen Konzept, Wu et al. schuf auch eine blumenähnliche Struktur, um in Lösung zu schrumpfen und in der Luft zu blühen.

Die Forscher entwickelten außerdem fortgeschrittene auxetische Strukturen oder Metamaterialien (die eigentlich eine negative Poisson-Zahl aufweisen), kombiniert mit normalen Materialien (positive Poisson-Zahl), unter Verwendung der Drucktechnik, um die Transformation zwischen den beiden zu konstruieren.

Das Graustufen-4-D-Druckverfahren wurde als Proof-of-Principle entwickelt, um eine einfache und kostengünstige Technik zur Erzeugung aktiver Strukturen zu bieten. Die Autoren schlagen eine Reihe potenzieller biomedizinischer Anwendungen für die konstruierten Materialien als Verbundmaterialien in der weichen Robotik und endovaskulären Stents vor.

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