3D-udskrivning hierarkiske flydende krystal-polymerstrukturer

Biologiske materialer fra knogle til edderkoppesilke og træ er lette fiberkompositter arrangeret i en kompleks hierarkisk struktur, dannet ved instrueret selvmontering for at demonstrere fremragende mekaniske egenskaber.

Når sådanne bioinspirerede stive og lette materialer typisk udvikles til applikationer i fly, biler og biomedicinske implantater, deres fremstilling kræver energi og arbejdskrævende fabrikationsprocesser. De fremstillede materialer udviser også sprøde brudskarakteristika med svært ved at forme og genbruge, i skarp kontrast til naturens mekaniske egenskaber. Eksisterende polymerbaseret letvægtsstrukturfabrikation er begrænset til 3D-print, med dårlig mekanisk styrke og orientering, mens stærkt orienterede stive polymerer er begrænset til at konstruere simple geometrier. I et forsøg på at kombinere friheden ved strukturel formgivning med molekylær orientering, 3D-udskrivning af flydende krystalpolymerer blev for nylig udnyttet. Selvom ønskelige formformende effekter blev opnået, Youngs modul af de bløde elastomerer var lavere end højtydende flydende krystal syntetiske fibre på grund af deres molekylære struktur.

For fuldt ud at udnytte formningsfriheden ved 3-D-tryk og gunstige mekaniske egenskaber ved molekylært orienterede flydende krystalpolymerer (LCP), et team af forskere ved Institut for Materialer, ETH Zürich, foreslået en ny tilgang. Strategien fulgte to designprincipper, der bruges i naturen til at danne hårde biologiske materialer. I første omgang, anisotropi blev opnået i udskrivningsprocessen via selvsamling af LCP-blækket langs printbanen. Derefter, kompleks formningskapacitet, der tilbydes af 3D-udskrivningsprocessen, blev udnyttet til at skræddersy den lokale stivhed og styrke i strukturen baseret på miljømæssige belastningsforhold. I undersøgelsen, Silvan Gantenbein og kolleger demonstrerede en tilgang til at generere 3-D letvægts, genanvendelige strukturer med hierarkisk arkitektur og komplekse geometrier for hidtil uset stivhed og sejhed. Resultaterne er nu offentliggjort i Natur .

Egenskaber ved det nye materiale opstod ved selvsamling af flydende krystalpolymermolekyler til meget orienterede domæner-opnået under ekstrudering af råmaterialet. Orientering af de molekylære domæner med printbanen forstærkede polymerstrukturen for at imødekomme de forventede mekaniske spændinger. Resultaterne førte til udviklingen af ​​materialer med styrke og sejhed, der overgik state-of-the-art 3D-printede polymerer, sammenlignelig med de højeste ydeevne letvægts kompositter, der hidtil er konstrueret. Undersøgelsen viste evnen til at kombinere top-down 3D-print med bottom-up molekylær kontrol af polymerorientering, åbning af muligheden for frit at designe og fremstille strukturer, der omgåede typiske begrænsninger for den eksisterende fremstillingsproces.

Efter struktur, de stive molekylære segmenter af aromatiske termotrope polyestere kunne selvsamles til nematiske domæner ved temperaturer højere end materialets smeltetemperatur. Polymersmeltekstrudering gennem 3D-printerdysen gav anledning til forskydnings- og forlængelsesstrømningsfelter, der justerede de nematiske domæner i strømningsretningen. En temperaturgradient efterfølgende dannet mellem den kolde overflade af filamentet og dets varme indre til hurtig afkøling ved overfladen, forårsager størkning i det flowjusterede arrangement. Polymerkæder, der er til stede i filamentets indre, oplevede langsommere afkøling til at orientere sig igen, drevet af termisk bevægelse. Som resultat, de ekstruderede filamenter besad en kerneskalstruktur, hvor en stærkt justeret hud omsluttede en mindre orienteret kerne. Hudens tykkelse var afhængig af filamentets diameter og driftstemperaturen.

Udskrivningsparametrernes effekt på den endelige core-shell-arkitektur blev besluttet ved hjælp af en simpel analytisk varmeoverførselsmodel. Forfatterne brugte optisk mikroskopi og røntgenspredningseksperimenter til at bekræfte den meget justerede hudstruktur. Kerneskalstrådene viste betydelig mekanisk styrke og elastisk modul, i modsætning til tidligere undersøgelser, der brugte fused deposition modellering (FDM). The Youngs modul af materialet var afhængig af produktion af filamenter, der var tyndere end dysediameteren for effektivt forbedret stivhed og styrke af de trykte materialer. Yderligere faktorer, herunder fremstillingstemperatur, laghøjde, molekylære tværbindinger og udglødningstid påvirkede Youngs modul af de trykte materialer.

Forskerne observerede flere stresstoppe for stress-belastningsmålinger under materialekarakterisering, der lignede hærdningsmekanismer for biologiske materialer såsom knogler. Dette blev tilskrevet den termiske behandlingsproces for at forbedre tværbindinger mellem filamenterne til stressoverførsel; forhindrer delaminering gennem revnedannende mekanismer. Det antages, at de glødede laminaters høje sejhed stammer fra hierarkisk tværbinding af makromolekyler og filamenter.

Materialekonstruktionen muliggjorde selvsamling og hierarkiske makromolekylære tværbindingsstrategier via lag-for-lag additiv fremstilling til at replikere bioinspirerede designprincipper. Højtydende laminater med højere styrke og Youngs modul uden tab af dæmpning blev opnået ved at indstille fiberorienteringen, så den bedst matchede spændingslinjerne i hele den mekanisk belastede struktur. Det efterfølgende produkt viste egenskaber uden fortilfælde i lette materialer.

De trykte LCP'er overgik eksisterende materialetyper, herunder forstærkede polymerer og kontinuerlige fiberprintede kompositter for at matche stivheden og styrken af ​​kulfiberforstærkede polymerer. Yderligere funktioner i processen omfattede genbrug, automatiseret fremstilling og lavere kulstofaftryk. 3D-trykningsteknikkerne og den foreslåede additivteknologi tillod fremstilling af applikationsspecifikke komplekse geometrier. Forfatterne forestiller sig, at det vil være muligt at opnå enestående niveauer af hierarkisk strukturel kompleksitet for letvægtsmaterialer ved at kombinere 3D-udskrivningsbaseret stykontrol, sammen med indstillelig orientering af selvsamlede byggesten i blækket. Strategien åbner mulighed for at fremstille strukturer, der kan opfylde forskellige krav som et bæredygtigt materiale med et cirkulært liv.

© 2018 Phys.org