Programmerbare strukturer fra printeren

Forskere ved universitetet i Freiburg og universitetet i Stuttgart har udviklet en ny proces til fremstilling af bevægelige, selvjusterende materialesystemer med standard 3D-printere. Disse systemer kan undergå komplekse formændringer, kontraherer og ekspanderer under påvirkning af fugt på en forudprogrammeret måde. Forskerne modellerede deres udvikling baseret på bevægelsesmekanismerne i klatreplanten kendt som luft kartoffel (Dioscorea bulbifera).

Med deres nye metode, teamet har produceret sin første prototype:en underarmsbøjle, der tilpasser sig bæreren, og som kan videreudvikles til medicinske anvendelser. Denne proces er blevet udviklet i samarbejde af Tiffany Cheng og prof. Dr. Achim Menges fra Institute of Computational Design and Construction (ICD) og Integrative Computational Design and Construction for Architecture Cluster of Excellence (IntCDC) ved University of Stuttgart, sammen med prof. dr. Thomas Speck fra Plant Biomechanics Group and the Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems Cluster of Excellence (livMatS) ved Freiburg Universitet. Forskerne præsenterer deres resultater i tidsskriftet Avanceret videnskab .

4D -udskrivning definerer formændringer

3D -print har etableret sig som en fremstillingsproces til en lang række applikationer. Det kan endda bruges til at producere intelligente materialer og materialesystemer, der forbliver i bevægelse efter udskrivning, autonomt skiftende form fra eksterne stimuli såsom lys, temperatur eller fugtighed. Denne såkaldte 4D-udskrivning, hvor forudbestemte formændringer kan udløses af en stimulus, udvider enormt de potentielle anvendelser af materialesystemer. Disse ændringer i form er muliggjort af materialernes kemiske sammensætning, som består af stimuli-responsive polymerer. Imidlertid, de printere og basismaterialer, der bruges til at producere sådanne materialesystemer, er normalt højt specialiserede, skræddersyet og dyrt-indtil nu.

Nu, ved hjælp af standard 3D -printere, det er muligt at producere materialesystemer, der reagerer på ændringer i fugt. I betragtning af deres struktur, disse materialesystemer kan undergå formændringer i hele systemet eller blot i de enkelte dele. Forskerne ved universiteterne i Freiburg og Stuttgart kombinerede flere hævelser og stabiliserende lag for at realisere en kompleks bevægelsesmekanisme:en spiralstruktur, der trækker strammere ved at udfolde 'lommer' som pressorer, og som kan løsne sig igen af ​​sig selv, når 'lommerne' slipper og den spolede struktur vender tilbage til den åbne tilstand.

Naturlige bevægelsesmekanismer overført til tekniske materialesystemer

For denne nye proces, forskerne brugte en mekanisme fra naturen:luftkartoflen klatrer i træer ved at lægge pres på værtsplantens stamme. At gøre dette, planten snor sig først løst omkring en træstamme. Så spirer det 'stipuler', basale udvækster af bladene, som øger rummet mellem viklingsstammen og værtsplanten. Dette skaber spændinger i luftartoffelens snoede stilk. For at efterligne disse mekanismer, forskerne konstruerede et modulært materialesystem ved at strukturere dets lag, så det kan bøje i forskellige retninger og i forskellige grader, derved vikling og dannelse af en spiralstruktur. 'Lommer' på overfladen får spiralen til at blive skubbet udad og sat under spænding, får hele materialesystemet til at trække sig sammen.

"Indtil nu, vores proces er stadig begrænset til eksisterende basismaterialer, der reagerer på fugt, "siger Achim Menges." Vi håber, "Thomas Speck tilføjer, "at i fremtiden, billige materialer, der også reagerer på andre stimuli, bliver tilgængelige til 3D -udskrivning og kan bruges med vores proces. "

Forskere ved University of Freiburg's Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems Cluster of Excellence (livMatS) udvikler livslignende materialesystemer, der er inspireret af naturen. Ligesom levende strukturer tilpasser de sig autonomt til forskellige miljøfaktorer, generere ren energi fra deres miljø og er uigennemtrængelige for skader eller kan helbrede sig selv. Ikke desto mindre vil disse materialesystemer være rent tekniske objekter, så de kan fremstilles ved hjælp af syntetiske metoder og indsættes under ekstreme forhold.