Forskerhold skruer op for varmen på 3D-printblæk

En proces, der bruger varme til at ændre arrangementet af molekylære ringe på en kemisk kæde, skaber 3D-printbare geler med en række funktionelle egenskaber, ifølge en Dartmouth-undersøgelse.

Forskerne beskriver den nye proces som "kinetisk fældefangst". Molekylære stoppere - eller fartbump - regulerer antallet af ringe, der går ind på en polymerkæde og kontrollerer også ringfordelinger. Når ringene er samlet, de lagrer kinetisk energi, der kan frigives, ligesom når en komprimeret fjeder udløses.

Forskere i Ke Functional Materials Group bruger varme til at ændre fordelingen af ​​ringe og bruger derefter fugt til at aktivere forskellige former for det trykte objekt.

Processen med at udskrive objekter med forskellige mekaniske styrker ved hjælp af en enkelt blæk kan erstatte det dyre og tidskrævende behov for at bruge flere blæk til at udskrive emner med flere egenskaber.

"Denne nye metode bruger varme til at producere og kontrollere 3D-blæk med forskellige egenskaber, " sagde Chenfeng Ke, en adjunkt i kemi og seniorforskeren på undersøgelsen. "Det er en proces, der kan gøre 3D-print af komplekse objekter nemmere og billigere."

De mest almindelige 3D-printblæk har ensartede molekylære sammensætninger, der resulterer i trykte objekter med en enkelt egenskab, såsom en ønsket stivhed eller elasticitet. Udskrivning af et objekt med flere egenskaber kræver den energikrævende og tidskrævende proces med at forberede forskellige blæk, der er konstrueret til at arbejde sammen.

Ved at introducere et molekylært "fartbump, " forskerne skabte en blæk, der ændrer fordelingen af ​​molekylære ringe over tid. De ujævne ringe omdanner også materialet fra et pulver til en 3D-printgel.

"Denne metode gjorde det muligt for os at bruge temperatur til at skabe komplekse former og få dem til at akuere ved forskellige fugtniveauer, " sagde Qianming Lin, en kandidatstuderende forsker ved Dartmouth og førsteforfatter af undersøgelsen.

En video, der demonstrerer forskningen, viser en blomst printet ved hjælp af en 3D-blæk, der er produceret med processen. Blomsten lukker, når den udsættes for fugt. Forskellige dele af den trykte blomst har forskellige niveauer af fleksibilitet skabt af arrangementet af molekylære ringe. Blandingen af ​​egenskaber gør det muligt for de bløde kronblade at lukke sig, mens de fastere dele af blomsten giver struktur.

At printe den samme blomst ved hjælp af de nuværende 3D-printmetoder ville komme med den ekstra udfordring at kombinere forskellige trykte materialer.

"De forskellige dele af dette objekt kommer fra det samme trykfarve, " sagde Ke. "De har lignende kemiske sammensætninger, men forskellige antal molekylære ringe og fordelinger. Disse forskelle giver produktet drastisk forskellige mekaniske styrker og får dem til at reagere forskelligt på fugt."

Studiet, udgivet i Chem , får adgang til de energiholdende "metastabile" tilstande af molekylære strukturer lavet af cyclodextrin og polyethylenglycol - stoffer, der almindeligvis anvendes som fødevaretilsætningsstoffer og afføringsblødgøringsmidler. Ved at installere fartbumpene på polyethylenglykolen, de 3D-printede objekter bliver aktuatorer, der reagerer på fugt for at ændre form.

Ifølge forskerholdet, fremtidige bestræbelser på at forfine molekylet vil tillade præcisionskontrol af flere metastabile tilstande, giver mulighed for udskrivning af "hurtigt reagerende aktuatorer" og bløde robotter ved hjælp af bæredygtige energikilder, såsom variation i luftfugtighed.

De resulterende trykte genstande kan bruges til medicinsk udstyr eller i industrielle processer.