3-D gråskala digital lysudskrivning (g-DLP) materialer med høj funktionsgrad (FGM)

Tredimensionel (3-D) udskrivning eller additiv fremstilling (AM) er en populær teknik, der i øjeblikket har tiltrukket sig enorm opmærksomhed som en lovende metode til at revolutionere design og fremstilling. Forskere har udvidet dets anvendelser fra hurtig prototyping til vævsteknologi, elektroniske anordninger, blød robotik og højtydende metamaterialer, men de fleste 3-D printteknikker bruger kun et enkelt materiale til at printe dele eller danne komponenter ved hjælp af flere diskrete egenskaber med komplekse mekaniske gradienter, der ikke kan kontrolleres sammenhængende.

Forholdsvis, de fleste naturlige strukturer som fiskeskæl og sene-til-ben er lavet af en række forskellige materialer med markant forskellige egenskaber, der fungerer sammen. Som et alternativ, Funktionelt klassificerede materialer (FGM) har tiltrukket betydelig nylig forskningsinteresse for at forbedre den mekaniske robusthed og flowtolerance af substrater. Dette giver mulighed for FGM 3-D-udskrivning med bredt tunerbare udskrivningsegenskaber i en enkelt proces, som har stigende betydning inden for materialevidenskab.

I en nylig undersøgelse, nu udgivet i Videnskabens fremskridt , Xiao Kuang og kolleger ved de tværfaglige afdelinger for Mekanisk Teknik, Nanobiomekanik og avanceret strukturteknologi i Kina og Canada præsenterede en enkelt-vat gråskala digital behandling (gDLP) 3-D printmetode. I arbejdet, de brugte gråtonelysmønstre og en to-trins hærdende blæk til at opnå funktionelt graderede materialer (FGM'er) med høj opløsning og mekaniske gradienter op til tre størrelsesordener. For at demonstrere metoden, de udviklede komplekse 2-D og 3-D gitter med kontrollerede buknings- og deformationssekvenser, metamaterialer med et negativt Poisson-forhold, prækirurgiske modeller med varierende stivhed, kompositter til 4-D-print og en metode til at bekæmpe forfalskning af 3-D-print.

3D-printteknikker på et øjeblik

For avancerede 3D-printapplikationer, forskere havde demonstreret PolyJet-metoden med flere inkjet-printhoveder for samtidig at afsætte forskellige materialer på printlejet. Imidlertid, metoden havde nogle bemærkelsesværdige ulemper, herunder høje udstyrsomkostninger, strenge krav til harpiks, begrænset materialevalg og en multimaterialeudskrivningstilstand med relativt lav opløsning.

Forskere forfulgte derfor mange andre 3-D-udskrivningsmetoder, herunder fremstilling af smeltede filamenter og direkte blækskrivning, selvom disse teknikker ikke blev forfulgt yderligere på grund af langsomme udskrivningshastigheder. Da de brugte digital lysbehandling (DLP) baseret på digitale mikrospejlenheder (DMD'er) som en hurtig, AM-tilgang med høj opløsning, polymerharpikserne hærdede brat og var for hurtige i sammenligning. Mens metoder i fortiden viste begrænset kapacitet til praktisk at fremstille funktionelt sorterede materialer med justerbare egenskaber. I en nyere teknik, forskere udviklede kontinuerlig væskegrænsefladeproduktion (CLIP) som et sandt gennembrud for at tilbyde den hurtigste 3-D printteknologi tæt på produktionsniveauet; også relevant for nærværende arbejde.

Introduktion af g-DLP (grayscale digital light printing) for at udvikle digitale materialer

I nærværende arbejde, Kuang et al. udviklet en ny, to-trins hærdende hybrid blæksystem i et enkelt kar for at opnå gråskala digital lysbehandling (g-DLP) 3D-print. De syntetiserede hybridblæk ved hjælp af bisphenol A ethoxylat diacrylat (BPADA), glycidylmethacrylat (GMA), en diamintværbinder, n-butylacrylat (BA), fotoinitiatorer og fotoabsorbere. I forsøgsopstillingen, de brugte monokromatiske lysintensitetsindstillinger til at hærde harpiksen lag for lag, analogt med CLIP-teknikken.

For det, de brugte en oxygenpermeabel membran til at adskille den hærdede sektion fra vinduet for hurtigere udskrivning. Forskerne snittede først den designede struktur i billeder svarende til individuelle udskrivningslag, efterfulgt af at behandle hvert billede med en MATLAB-kode for at generere gråtonefordelingen, der indeholder de ønskede egenskaber. De sendte derefter billederne af individuelle lag med gråtonemønstre til UV-projektoren til udskrivning.

Under eksperimenterne inducerede de radikal-baseret fotopolymerisation for at danne polymernetværket og den trykte struktur, og viste, at tværbindingstætheden og modulus af materialet faldt med øget gråtoneprocent. I arbejdet, GMA-monomeren og diamintværbinderen spillede en kritisk rolle i den termiske hærdningsprocessen og bestemte virkningerne af gråskalafotopolymerisering af hybridblæk.

Kuang et al. viste metodens ikke-lineære afhængighed af lysintensitet og udviklede reaktionskinetikmodeller til at undersøge tidsafhængig lyskuration. Forskerne forhindrede lyslækage-baseret opløsningsreduktion i opsætningen ved at justere softwaren ved hjælp af et optisk system med mindre forstørrelse, eller via øget fotoabsorberindhold for at forbedre opløsningen af ​​trykte materialer.

De overvågede den kemiske strukturudvikling under fotokurering med Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) og testede materialernes mekaniske og termomekaniske egenskaber. Kuang et al. inkluderet tests på Youngs modul og glasovergangstemperatur (Tg) som funktioner af gråtoneprocenten for at karakterisere det nye materiale. Da metoden gav mulighed for at skabe digitale materialer ved at kontrollere gråtonerne, forskerne fulgte de indledende eksperimenter ved at udskrive prøver af simpel geometri med graderede egenskaber.

De brugte også finite element modellering (FEM) simuleringer til at forudsige de graderede egenskaber og deformationshastigheder af arkitekturerne for at muliggøre et kontinuerligt gradientmønster. Dette tillod Kuang et al. at fremstille et kontinuerligt sorteret materiale, der bøjes med konstant skiftende krumning ved påføring af en punktbelastning. Forskerne viste, at de eksperimentelle resultater stemte overens med simuleringen af ​​enkeltpunkts bøjningsadfærd.

Forskerne brugte derefter g-DLP til at udforske design og fremstilling af gitter- og cellulære strukturer i undersøgelsen. Til dette printede de først en 2-D gitterarkitekturmatrix med et gråtonemønster af et trekantet område og et tomt rum under det. Under kompressionsundersøgelser forekom deformationen kun i det trekantede område med blødt materiale, hvor rummet under det trekantede bånd ikke deformerede sig for at give et skjold, der beskyttede noget materiale under dette område. Forskerne viste, at en sådan kontrolleret knækning kunne forbedre energiabsorptionsevnen - verificeret ved hjælp af det stabile spændingsfald i den medfølgende spændings-belastningskurve. Som før, FEM-simuleringen forudsagde nøjagtigt de eksperimentelle resultater.

Kuang et al. derefter designet en 3-D gitterarkitektur, hvor de tildelte hvert lag en anden gråtoneværdi for at opnå en ren, trykt gitter med høj opløsning. Arkitekturen af ​​3-D gitteret viste sekventiel deformationsadfærd - med anvendelser i energiabsorption. Forskerne kan udnytte de graderede materialeegenskaber af g-DLP-printteknikken til at fremstille præ-kirurgiske modeller.

For eksempel, ved hjælp af metoden printede de vævslignende strukturer med bioinspireret mimik for at skabe knogle (med gråtone G ₀ ), blød muskel (G ₈₅ ) og hud (G ₇₀ ) strukturer. De var også i stand til at designe en kunstig lemstruktur i lille skala med blød muskel (G ₈₅ ) og hård knogle (G ₀ ), som blev udskrevet ved hjælp af g-DLP-metoden. Kuang et al. foreslå at bruge teknikken til at konstruere skræddersyede arkitekturer med patientspecifikke fysiske egenskaber til at danne prækirurgiske modeller i vævsteknologi til regenerativ medicin.

Det g-DLP-trykte materiale kan programmeres eller indstilles over et temperaturområde (T _g ) fra 14 ⁰ C til 68 ⁰ C til brug som formhukommelsespolymer (SMP), som udviste aktivering ved forskellige temperaturer. For at demonstrere dette, de konstruerede et spiralformet mønster, som når opvarmet til 60 ⁰ C åbnes for at danne en lige linje, efterfulgt af afkøling i is for at vende tilbage til den oprindelige konformation. Imidlertid, hvis de spiralformede strukturer blev trykt med samme gråtone (G20), alle hængsler genvandt deres form samtidigt med samme hastighed, dog uden formgendannelse til den oprindelige arkitektur. Forskerne undersøgte derefter anvendelsen af ​​sådanne SMP'er ved at udvikle en robotarm.

Da de klassificerede materialer havde forskellige moduler og T _g , dette førte til forskellig diffusivitet i det eksperimentelle system. Forskerne var derfor i stand til at se de forskellige gråtonemønstre med en række forskellige farvestoffer. Kuang et al. foreslå at bruge fluoresceinfarve til kryptering og anti-forfalskning applikationer. For eksempel, da forskerne inkluderede en QR-kode (quick response) i en film ved hjælp af gråtonemønstre til udskrivning, efterfulgt af fluoresceinbehandling, mønsteret blev kun synligt under UV-lys og usynligt under synligt lys. Desuden, når Kuang et al. udskrev en QR-kode som et gråtonemønster og scannede den ved hjælp af en smartphone, forskerne var i stand til at linke direkte til informationen eller webstedet kodet via internettet, forebyggelse af forfalskede 3D-produkter.

På denne måde Kuang et al. udviklet en g-DLP 3-D printteknik via to-trins hærdning for at opnå digital fremstilling i høj opløsning med komplekse former og programmerbare funktionelle gradienter. Forskerne sigter mod at optimere bestanddele i materialet til yderligere printapplikationer. De var i stand til direkte at udvikle komplekse 2-D/3-D-gitre, metamaterialer, 4-D-print med formhukommelsespolymerer og producere anti-forfalskede teknikker, der var indbygget i selve 3-D-materialet. Forskerne sigter mod yderligere at forbedre den nye g-DLP-metode til at konstruere materialer til fremtidige applikationer, inklusive 4-D print metamaterialer, biomimetiske prækirurgiske modeller, blød robotteknologi og additivfremstilling med indgroet cybersikkerhed.

© 2019 Science X Network