Forskere opnår 4-D trykt materiale

For første gang, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har med succes 3-D printede komposit silikone materialer, der er fleksible, strækbar og har formhukommelsesadfærd, en opdagelse, der kunne bruges til at skabe figursyet polstring aktiveret af kropsvarme, såsom i en hjelm eller sko.

Som beskrevet i deres papir udgivet online af Videnskabelige rapporter , ved at tilføje hul, gasfyldte "mikroballoner" i silikonebaseret blæk, forskerne konstruerede materialet, så det kan komprimeres eller "programmeres" ved en forhøjet temperatur, forbliver i den tilstand, mens den afkøles. Når den genopvarmes, gassen i mikroballonerne udvider sig, får strukturerne til at vende tilbage til deres oprindelige form. Når det kombineres med 3-D print, denne formhukommelsesadfærd omtales ofte som "4-D-udskrivning, "med den fjerde dimension er tid.

"Den imponerende del var, hvor godt strukturerne kunne genvinde deres form efter at de var blevet genopvarmet, " sagde LLNL-forsker Amanda Wu, hovedforfatteren på papiret. "Vi så ikke en forvrænget struktur, vi så en fuldt genoprettet struktur. Fordi silikonenetværket er fuldstændig tværbundet, det holder delen sammen, så strukturen genvinder sin oprindelige form på en forudsigelig, gentagelig måde."

I et slag af serendipity, forskerne opdagede ved et uheld materialet, mens de forsøgte at konstruere et hierarkisk porøst materiale, der ville komme sig fuldstændigt efter at være blevet komprimeret under varme, udviser det, der er kendt som nul kompressionssæt. I stedet, de fik det modsatte resultat. Uafskrækket, LLNL videnskabsmænd Ward Small og co-principal investigator Thomas Wilson spekulerede på, hvad der ville ske, hvis de genopvarmede strukturerne, tror, ​​at gassen fanget i materialet kan få det til at udvide sig igen. Som det viste sig, det er præcis, hvad der skete.

"I første omgang, dette var en accelereret ældningstest for at se, om materialet ville være nyttigt, " sagde Small. "Dette materiale fik et ret stort kompressionssæt, og det fik os til at spekulere på, om det var permanent. Det var vi ikke rigtig begejstrede for, men vi havde tidligere eksperimenteret med formhukommelse og prøvet at se, om den kunne genvinde sin form, når den blev opvarmet. Vi testede det, og det gjorde det."

Nøglen til formhukommelsesadfærden er polymermikroballonerne, der er indlejret i silikoneblækket. Den tynde polymerskal i mikroballonen har en glasovergangstemperatur; under den temperatur, skallen er stiv og glasagtig og over temperaturen, skallen bliver blød og formbar. Derfor, ved at opvarme kompositmaterialet over skalglasovergangstemperaturen, kuglernes polymerskaller blødgøres, giver dem mulighed for at blive komprimeret og ændre deres form på en måde, der forbliver deformeret og modstår genudvidelse af silikonematrixen, når den afkøles. Når den genopvarmes, ballonerne udvider sig, og genoprettelseskraften af ​​den opvarmede gas og silikone gør det muligt for strukturen at genvinde sin oprindelige kontur.

LLNL-forsker Taylor Bryson udførte det eksperimentelle arbejde, blande blæk, der kunne inkorporere mikroballonerne, men som ikke ville sætte sig fast i 3-D-printerens dyse, og opvarmning og komprimering og afkøling af de trykte prøver for at indstille deres form, og derefter genopvarme for at udvide dem.

"Vi tog dem varme ud og lod dem afkøle i nærvær af en trykkraft og testede deres tykkelse for at måle kompressionssæt, " sagde Bryson. "Så for at se, om de ville udvide sig igen, vi ville genopvarme dem, sæt dem tilbage i ovnene ved samme temperatur eller varmere i fravær af en trykkraft, og se om de ville genskabe deres form. Overraskende nok, vi fik tæt på 100 procent bedring."

Forskerne udskrev deres prøver ved hjælp af en direkte blækskrivningsproces, hvor kompositblækmaterialet blev ekstruderet ved stuetemperatur fra printerens dyse for at danne træbunkelignende strukturer med kontrolleret porøsitet og arkitektur. Ved at kunne 3D-printe materialet, sagde forskerne, det bliver mere let og funktionelt, og de kan udøve større kontrol over dens overordnede 3-D geometri og sammensætning.

Hvad er unikt ved deres tilgang, sagde forskerne, er, at formhukommelseskomponenten er konstrueret ind i materialet, så mikroballonerne kunne bruges til at integrere formhukommelse i ethvert polymert basismateriale, inklusive strækbare materialer såsom elastomerer.

"Historisk set, formhukommelsespolymerer har tendens til at være meget stive, " sagde materialeforsker Eric Duoss, en co-principal investigator på projektet. "Ved at inkorporere mikroballoner i en gummiagtig matrix, vi har skabt en komposit, der er blød og elastisk, selv under glasovergangstemperaturen for mikroballonerne, som er et formhukommelsesmateriale med tidligere uopnåelige kvaliteter. Det viste sig at være meget tilfældigt."

Laboratorieforskere har indgivet en patentansøgning på materialet. Fordi det kan 3D-printes til en vilkårlig netform og laves til en meget porøs struktur med både åbne og lukkede celler, forskere sagde, at det kunne være nyttigt til termisk aktiveret polstring, der er meget tunerbar og tilpasselig. For eksempel, ved at modulere mikroballonens glasovergangstemperatur til at være under kropstemperaturen, materialet kunne komprimeres under varme og afkøles, derefter opbevares køligere end kropstemperaturen. Når det bæres, det ville udvide sig til at passe hovedet i en hjelm eller en fod i en sko. I det tilfælde, hvor glasovergangstemperaturen er lidt over kropstemperaturen, bæreren kan opvarme materialet i en ovn eller gryde med varmt vand, og så pas det, svarende til processen med formtilpasning af en mundbeskytter.

"Du kan bruge dette til ethvert tilpasset mekanisk energiabsorberende materiale, " sagde Duoss. "Det pæne er, hvis bæreren vokser en lille smule og ønsker at ombygge materialet, de varmer det bare op for at udvide det, tag den på og lad den køle af for igen at tilpasse pasformen. Det er reversibelt. Det er virkelig et helt nyt materiale, og vi er spændte på det. Det er et materiale, der burde have et stort kommercielt potentiale og burde være modent til teknologioverførsel til industrien."

Wu sagde, at processen kunne skaleres op til at producere meget større dele til emballage- og transportapplikationer. Ud over, materialet behøver ikke nødvendigvis at være 3D-printet. Mikroballoner kan indarbejdes i enhver form for basismateriale og støbes eller støbes, Wu sagde, men det resulterende materiale har muligvis ikke samme komprimerbarhed som 3-D-printede porøse strukturer.