Hurtig 4-D-print med formhukommelsespolymerer

Formhukommelsespolymerer eller formskiftende materialer er smarte materialer, der har vundet betydelig opmærksomhed inden for materialevidenskab og biomedicinsk teknik i de seneste år for at bygge smarte strukturer og enheder. Digital lysbehandling er en karfotopolymeriseringsbaseret metode med væsentligt hurtigere teknologi til at printe et komplet lag i et enkelt trin for at skabe smarte materialer.

Fahad Alam og et team af forskere inden for elektro- og computerteknik og atomteknik ved King Abdullah University of Science and Technology, Saudi-Arabien udviklede en nem og hurtig metode til at 3D-printe form-hukommelse polymer-baserede smarte strukturer med en digital lys print 3D-printer og brugerdefineret harpiks.

De kombinerede en flydende krystal (et materiale, der kan ændre sin form med temperaturen) med harpiks for at introducere formhukommelsesegenskaber til direkte 3D-print termoresponsive strukturer - samtidig med at de undgår kompleksiteten af ​​harpiksforberedelse. Holdet printede strukturerne med forskellige geometrier og målte formhukommelsesresponsen. Formhukommelsespolymererne kan bekvemt forberedes til brug som smarte værktøjer, legetøj og metamaterialer.

Artiklen er offentliggjort i tidsskriftet NPG Asia Materials .

Shape-memory polymerer

Shape-memory polymerer tilhører en klasse af dobbelt-shape smarte polymerer, der kan gennemgå mekanisk deformation og vende tilbage til deres oprindelige form som svar på miljøparametre. Formhukommelsespolymergendannelsen afhænger af anvendelsen af ​​eksterne stimuli såsom varme, lys, elektricitet, fugtighed og pH-ændringer.

Sådanne materialer er formskiftende konstruktioner, der har vundet betydelig interesse i de senere år på grund af deres alsidighed og industrielle levedygtighed. Forskerholdet demonstrerede 4D-print af formhukommelsespolymerer via digital lysbehandling; en 3D-printmetode baseret på karfotopolymerisering. Resultaterne fremhævede egnetheden af ​​3D-printede komplekse strukturer til en række forskellige applikationer.

Oprettelse af formhukommelseseffekten

Forskerholdet undersøgte formhukommelseseffekten af ​​de 3D-printede prøver ved at studere forminduktions- og gendannelsesprocessen. Metoden tillod let og høj opløsning print af indviklede 3D-designs. Disse konstruktioner er nyttige på tværs af en række applikationer som fleksible smarte patches, mekaniske værktøjer med variabel størrelse og deformerbart legetøj. I dette arbejde udviklede Alam og kolleger en polymer med formhukommelse baseret på en flydende krystal blandet med en fotohærdende harpiks for at udvikle en semikrystallinsk polymer og beskrev dens virkningsmekanisme baseret på tidligere undersøgelser.

Holdet observerede den interne morfologi af de 3D-printede tværsnit med eller uden flydende krystaller ved at bruge scanningselektronmikroskopi. De observerede derefter reaktionerne af polymerer med formhukommelse i forhold til deres evne til at komme sig efter belastning. Det nuværende arbejde viste indflydelsen af ​​3D digital lysbehandling til at skabe formhukommelsespolymerer med 4D-effekter. Forskerne kvantificerede form-hukommelsesresponsen for at vise restitutionsvinkelforholdet kontra tid.

Justerbare mekaniske egenskaber

Forskerne udforskede de lovende anvendelser af 3D-printede smarte hukommelsespolymerer. For at opnå dette bestemte Alam og kolleger de mekaniske egenskaber af materialerne ved at udføre trækprøver på en hundeknogleprøve for at vise, hvordan de mekaniske egenskaber af trykte materialer kan justeres ved at regulere formen af ​​gitterstrukturerne.

De bekræftede den mekaniske tunbarhed af smarte materialer ved at udføre finite element-simuleringer og sammenlignede de eksperimentelle resultater med træktest fra finite element-analysen. De mekaniske ydeevner af 2D-gitteret observeret gennem eksperiment og forudsagt via simulering aftalt. Baseret på fleksibiliteten og strækbarheden testede Alam og teamet prøverne til belastningstest og til applikationer til bevægelsesføling af led.

For at lette ledbevægelser via polymerintegration anvendte forskerne en nano-sølv-baseret ledende belægning som en elektrode, hvilket krævede yderligere optimering af udskrivningsparametrene. Forskerne målte ændringerne i elektrisk modstand ved at strække og komprimere strukturen for at lette bevægelse hos patienter.

Resultaterne af modstandsmåling af det forberedte gitterelektrodeplaster viste dets potentiale til brug som et smart plaster til føling af ledbevægelser; dette kan anvendes på et menneskeligt knæ, albueled, kunstigt lem eller rigtige lemmer for at føle bevægelse. Sådanne elektrodeplastre kan tilpasses til patientens størrelse under lette og hurtige fremstillingsprocesser.

Outlook

På denne måde præsenterede Fahad Alam og teamet en metode til at 3D-printe smarte materialer ved først at bruge formhukommelsespolymerer til nem og hurtig fremstilling gennem digital lysbehandling. Forskerne tilpassede de 3D-printede objekter til at skabe strukturer, der ændrede sig med tiden, dette er kendt som 4D-print. De opnåede dette ved at kombinere flydende krystaller med en harpiks og udskrive det ved at bruge en kommerciel desktopprinter. Forskerne brugte metoden til at fremstille en række komplekse genstande, herunder gitterlapper, foldbart legetøj, smart emballage og mekaniske skruenøgler.

Forskerne udsatte disse objekter for varme, for midlertidigt at ændre deres form og til efterfølgende formgendannelsesapplikationer. Holdet brugte træktest til at vise den justerbare natur af formhukommelsespolymerer for at opfylde specifikke applikationer inden for biomedicinsk teknik. Sådanne 3D-printede gitterlapper er velegnede til belastningsføling i forbindelse med ledbevægelser. Forskerne registrerede ændringerne i elektrisk modstand fra det 3D-printede smarte plaster for at detektere bevægelsen i kunstige lemmers led og arme på patienter.

Flere oplysninger: Fahad Alam et al., Swift 4D-print af termoresponsive formhukommelsespolymerer ved brug af karfotopolymerisation, NPG Asia Materials (2023). DOI:10.1038/s41427-023-00511-x

© 2023 Science X Network