Ekspanderende polymer muliggør selvfoldende printbare strukturer uden opvarmning eller nedsænkning i vand

Da 3D-print er blevet en almindelig teknologi, industri- og akademiske forskere har undersøgt printbare strukturer, der vil folde sig selv til nyttige tredimensionelle former, når de opvarmes eller nedsænkes i vand.

I et papir, der vises i American Chemical Societys tidsskrift Anvendte materialer og grænseflader , forskere fra MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) og kolleger rapporterer om noget nyt:en printbar struktur, der begynder at folde sig selv sammen, så snart den er pillet af printplatformen.

En af de store fordele ved enheder, der selvfolder uden nogen udefrakommende stimulus, siger forskerne, er, at de kan involvere et bredere udvalg af materialer og mere sarte strukturer.

"Hvis du vil tilføje trykt elektronik, du kommer generelt til at bruge nogle organiske materialer, fordi størstedelen af ​​trykt elektronik er afhængig af dem, " siger Subramanian Sundaram, en MIT kandidatstuderende i elektroteknik og datalogi og første forfatter på papiret. "Disse materialer er ofte meget, meget følsom over for fugt og temperatur. Så hvis du har disse elektronik og dele, og du ønsker at indlede folder i dem, du ønsker ikke at dyppe dem i vand eller opvarme dem, for så bliver din elektronik forringet."

For at illustrere denne idé, forskerne byggede en prototype, selvfoldende printbar enhed, der inkluderer elektriske ledninger og en polymer "pixel", der skifter fra gennemsigtig til uigennemsigtig, når en spænding påføres den. Enheden, som er en variation af den "udskrivbare guldbug", som Sundaram og hans kolleger annoncerede tidligere på året, begynder med at ligne bogstavet "H". Men hvert af benene på H folder sig selv i to forskellige retninger, producerer en bordpladeform.

Forskerne byggede også flere forskellige versioner af det samme grundlæggende hængseldesign, som viser, at de kan kontrollere den præcise vinkel, som et led foldes i. I test, de tvangsrettede hængslerne ved at fastgøre dem til en vægt, men da vægten blev fjernet, hængslerne genoptog deres oprindelige folder.

På kort sigt, teknikken kunne muliggøre specialfremstilling af sensorer, skærme, eller antenner, hvis funktionalitet afhænger af deres tredimensionelle form. Længere sigt, forskerne forestiller sig muligheden for printbare robotter.

Sundaram får følgeskab på papiret af sin rådgiver, Wojciech Matusik, en lektor i elektroteknik og datalogi (EECS) ved MIT; Marc Baldo, også lektor i EECS, der har specialiseret sig i organisk elektronik; David Kim, en teknisk assistent i Matusik's Computational Fabrication Group; og Ryan Hayward, en professor i polymervidenskab og ingeniørvidenskab ved University of Massachusetts i Amherst.

Stress lindring

Nøglen til forskernes design er et nyt printerblækmateriale, der udvider sig, efter at det størkner, hvilket er usædvanligt. De fleste printerblækmaterialer trækker sig lidt sammen, når de størkner, en teknisk begrænsning, som designere ofte skal omgås.

Udskrevne enheder er bygget op i lag, og i deres prototyper deponerer MIT-forskerne deres ekspanderende materiale på præcise steder i enten de øverste eller nederste lag. Det nederste lag klæber lidt til printerplatformen, og at vedhæftning er nok til at holde enheden flad, efterhånden som lagene bygges op. Men så snart den færdige enhed er pillet af platformen, leddene lavet af det nye materiale begynder at udvide sig, bøjning af enheden i den modsatte retning.

Ligesom mange teknologiske gennembrud, CSAIL-forskernes opdagelse af materialet var en ulykke. De fleste af de printermaterialer, der anvendes af Matusik's Computational Fabrication Group, er kombinationer af polymerer, lange molekyler, der består af kædelignende gentagelser af enkelte molekylære komponenter, eller monomerer. Blanding af disse komponenter er en metode til at skabe printerblæk med specifikke fysiske egenskaber.

Mens jeg forsøgte at udvikle en blæk, der gav mere fleksible trykte komponenter, CSAIL-forskerne ramte ved et uheld på en, der udvidede sig lidt, efter at den var hærdet. De erkendte straks den potentielle nytte af ekspanderende polymerer og begyndte at eksperimentere med modifikationer af blandingen, indtil de nåede frem til en opskrift, der lod dem bygge samlinger, der ville udvide sig nok til at folde en trykt enhed på midten.

Hvorfor og hvorfor

Haywards bidrag til avisen var at hjælpe MIT-teamet med at forklare materialets udvidelse. Det blæk, der producerer den mest kraftige ekspansion, omfatter flere lange molekylære kæder og en meget kortere kæde, består af monomeren isooctylacrylat. Når et lag af blækket udsættes for ultraviolet lys - eller "hærdes, "en proces, der almindeligvis bruges i 3-D-print til at hærde materialer, der er aflejret som væsker - de lange kæder forbindes med hinanden, producerer et stift krat af sammenfiltrede molekyler.

Når endnu et lag af materialet aflejres oven på det første, de små kæder af isooctylacrylat i toppen, væskelaget synker ned i det nederste, mere stift lag. der, de interagerer med de længere kæder for at udøve en ekspansiv kraft, som vedhæftningen til trykplatformen midlertidigt modstår.

Forskerne håber, at en bedre teoretisk forståelse af årsagen til materialets ekspansion vil sætte dem i stand til at designe materiale, der er skræddersyet til specifikke applikationer - inklusive materialer, der modstår den 1-3 procent sammentrækning, der er typisk for mange trykte polymerer efter hærdning.

"Dette arbejde er spændende, fordi det giver en måde at skabe funktionel elektronik på 3D-objekter, " siger Michael Dickey, professor i kemiteknik ved North Carolina State University. "Typisk, elektronisk behandling sker i en plan, 2-D mode og har derfor brug for en flad overflade. Arbejdet her giver en rute til at skabe elektronik ved hjælp af mere konventionelle plane teknikker på en 2-D overflade og derefter transformere dem til en 3-D form, samtidig med at elektronikkens funktion bevares. Transformationen sker ved et smart trick til at bygge stress ind i materialerne under udskrivning."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.