Ny 4-D printer kan omforme den verden, vi lever i

Fra månelandinger til mobiltelefoner, mange af science fiction-visionerne er forvandlet til virkelighed. I det seneste eksempel på denne tendens, forskere rapporterer, at de har udviklet en kraftfuld printer, der kan strømline skabelsen af ​​selvsamlende strukturer, der kan ændre form efter at være blevet udsat for varme og andre stimuli. De siger, at denne unikke teknologi kan fremskynde brugen af ​​4-D-print i rumfart, medicin og andre industrier.

Forskerne præsenterer deres arbejde i dag ved det 255. nationale møde og udstilling i American Chemical Society (ACS).

"Vi er på nippet til at skabe en ny generation af enheder, der i høj grad kan udvide de praktiske applikationer til 3-D og 4-D print, "H. Jerry Qi, Ph.D., siger. "Vores prototypeprinter integrerer mange funktioner, der ser ud til at forenkle og fremskynde de processer, der bruges i traditionel 3-D-print. Som et resultat, vi kan bruge en række forskellige materialer til at skabe hårde og bløde komponenter på samme tid, inkorporer ledende ledninger direkte i formændrende strukturer, og i sidste ende satte scenen for udviklingen af ​​et væld af 4-D-produkter, der kunne omforme vores verden."

4-D-print er en ny teknologi, der gør det muligt for 3-D-printede komponenter at ændre deres form over tid efter udsættelse for varme, lys, fugt og andre miljømæssige triggere. Imidlertid, 4-D print er fortsat udfordrende, dels fordi det ofte kræver komplekse og tidskrævende efterbehandlingstrin at mekanisk programmere hver komponent. Ud over, mange kommercielle trykkerier kan kun udskrive 4-D strukturer sammensat af et enkelt materiale.

Sidste år, Qi og hans kolleger ved Georgia Institute of Technology, i samarbejde med forskere ved Singapore University of Technology and Design, brugte en komposit lavet af en akryl og en epoxy sammen med en kommerciel printer og en varmekilde til at skabe 4-D objekter, såsom en blomst, der kan lukke sine kronblade eller en stjerne, der forvandles til en kuppel. Disse objekter transformerede form op til 90 procent hurtigere end tidligere muligt, fordi forskerne inkorporerede de kedelige mekaniske programmeringstrin direkte i 3-D-printprocessen. Med udgangspunkt i dette arbejde, forskerne søgte at udvikle en alt-i-en-printer til at løse andre 4-D-udskrivningsudfordringer og flytte teknologien tættere på praktisk anvendelse.

Maskinen, de i sidste ende udtænkte, kombinerer fire forskellige printteknikker, inklusive aerosol, inkjet, direkte blækskrivning og modellering af sammensmeltet aflejring. Den kan håndtere et væld af stive og elastiske materialer inklusive hydrogeler, sølv nanopartikel-baseret ledende blæk, flydende krystal elastomerer og formhukommelsespolymerer, eller SMP'er. SMP'er, som er de mest almindelige stoffer, der bruges i 4-D print, kan programmeres til at "huske" en form og derefter forvandle sig til den, når den opvarmes. Med denne nye teknologi, forskerne kan udskrive SMP'er af højere kvalitet, der er i stand til at foretage mere indviklede formændringer end tidligere, åbner døren for et væld af funktionelle 4-D applikationer og designs.

Forskerne kan også bruge printeren til at projicere en række hvide, grå eller sorte nuancer af lys for at danne og hærde en komponent til et fast stof. Denne gråtonebelysning udløser en tværbindingsreaktion, der kan ændre komponentens adfærd, afhængigt af gråtonerne af nuancen skinnede på den. Så, for eksempel, en lysere lys nuance skaber en del, der er hårdere, mens en mørkere nuance giver en blødere del. Som resultat, disse komponenter kan bøje eller strække anderledes end andre dele af 4-D strukturen omkring dem.

Printeren kan endda oprette elektriske ledninger, der kan printes direkte på en antenne, sensor eller andet elektrisk udstyr. Processen er afhængig af en direkte blæk-skrivemetode til at producere en linje af sølv nanopartikelblæk. En fotonisk hærdningsenhed tørrer og koalescerer nanopartiklerne for at danne ledende ledninger. Derefter, printerens inkjet-komponent skaber plastikbelægningen, der omslutter ledningen.

I øjeblikket, Qi's team arbejder også med Children's Healthcare i Atlanta for at afgøre, om denne nye teknologi kan udskrive protesehænder til børn født med misdannede arme.

"Kun en lille gruppe børn har denne tilstand, så der er ikke megen kommerciel interesse i det, og de fleste forsikringer dækker ikke udgifterne, " siger Qi. "Men disse børn har en masse udfordringer i deres daglige liv, og vi håber, at vores nye 4-D printer vil hjælpe dem med at overvinde nogle af disse vanskeligheder."