Materialeforskere lærer at lave flydende krystal-formskift

En ny 3D-udskrivningsmetode vil gøre det lettere at fremstille og kontrollere formen af ​​bløde robotter, kunstige muskler og bærbare enheder. Forskere ved UC San Diego viser, at ved at kontrollere udskrivningstemperaturen af ​​flydende krystalelastomer, eller LCE, de kan kontrollere materialets grad af stivhed og evne til at trække sig sammen - også kendt som grad af aktivering. Hvad mere er, de er i stand til at ændre stivheden i forskellige områder i det samme materiale ved at udsætte det for varme.

Som et bevis på konceptet, forskerne 3D-trykt i et enkelt tryk, med et enkelt blæk, strukturer, hvis stivhed og aktivering varierer efter størrelsesordener, fra nul til 30 procent. For eksempel, et område af LCE -strukturen kan trække sig sammen som muskler; og en anden kan være fleksibel, som sener. Gennembruddet var muligt, fordi teamet studerede LCE nøje for bedre at forstå dets materielle egenskaber.

Holdet, ledet af Shengqiang Cai, en professor i Institut for Mekanisk og Rumfartsteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering, beskriver deres arbejde i 25. september -udgaven af Videnskab fremskridt .

Forskere blev inspireret til at skabe dette materiale med forskellige grader af aktivering ved hjælp af eksempler i biologi og natur. Ud over kombinationen af ​​muskler og sener, forskere tog spor fra næbbet af blæksprutte, som er ekstremt stiv i spidsen, men meget blødere og formbar, hvor den er forbundet med blækspruttens mund.

"3D-udskrivning er et fantastisk værktøj til at lave så mange forskellige ting-og det er endnu bedre nu, hvor vi kan udskrive strukturer, der kan trække sig sammen og stivne efter ønske under en bestemt stimuli, I dette tilfælde, varme, "sagde Zijun Wang, papirets første forfatter og en ph.d. studerende i Cai's forskningsgruppe.

Forståelse af materialegenskaber

For at forstå, hvordan man justerer de materielle egenskaber ved LCE, forskere studerede først materialet meget tæt. De fastslog, at trykt LCE -filament er lavet af en skal og en kerne. Mens skallen køler hurtigt af efter udskrivning, bliver stivere, kernen køler langsommere, forbliver mere formbare.

Som resultat, forskere var i stand til at bestemme, hvordan man varierer flere parametre i udskrivningsprocessen, især temperatur, at justere de mekaniske egenskaber ved LCE. I en nøddeskal, jo højere udskrivningstemperatur, jo mere fleksibelt og formbart materialet. Mens forberedelsen af ​​LCE -blækket tager et par dage, det faktiske 3D-print kan udføres på kun 1 til 2 timer, afhængigt af geometrien i strukturen, der udskrives.

"Baseret på forholdet mellem egenskaberne af LCE -filament og udskrivningsparametre, det er let at konstruere strukturer med graduerede materialegenskaber, "sagde Cai.

Varierende temperatur til 3D-printstrukturer

For eksempel, forskere udskrev en LCE -disk ved 40 grader C (104 F) og opvarmede den til 90 grader C (194 F) i varmt vand. Disken deformeres til en konisk form. Men en LCE -disk består af områder, der udskrives ved forskellige temperaturer (40, derefter 80 derefter 120 grader Celsius, for eksempel), deformeres i en helt anden form ved opvarmning.

Forskere også 3D-trykte strukturer lavet af to lag LCE med forskellige egenskaber og viste, at dette gav materialet endnu flere grader af frihed til at aktivere. Forskere trykte også gitterstrukturer med materialet, som kan bruges i medicinske applikationer.

Endelig, som et bevis på konceptet, team 3-D trykte et LCE-rør, som de havde tunet under 3D-udskrivning og viste, at det kunne klæbe til en stiv glasplade meget længere, når det aktiveres ved høje temperaturer, omkring 94 C (201 F), end et almindeligt LCE -rør med homogene egenskaber. Dette kan føre til fremstilling af bedre robotfødder og gribere.

Aktiveringen af ​​materialet kunne aktiveres ikke kun i varmt vand, men også ved at inficere LCE med varmefølsomme partikler eller partikler, der absorberer lys og omdanner det til varme-alt fra sort blækpulver til grafen. En anden mekanisme ville være at 3D-udskrive strukturerne med elektriske ledninger, der genererer varme indlejret i LCE.

Næste trin omfatter at finde en måde at justere materialets egenskaber mere præcist og effektivt. Forskere arbejder også på at ændre blækket, så de trykte strukturer kan repareres selv, omprogrammerbar, og genanvendelig.