4-D הדפסה הפיך צורה שינוי חומרים עם אור בגווני אפור דפוסים

Our Miss Brooks: Magazine Articles / Cow in the Closet / Takes Over Spring Garden / Orphan Twins (יוני 2019).

Anonim

שינוי צורה הפיך הוא נכס רצוי מאוד עבור יישומים ביו רבים, כולל actuators מכניים, רובוטיקה רכה ושרירים מלאכותיים. חומרים מסוימים יכולים לשנות את גודל או צורה כאשר מוקרן עם אור, המפעיל דפורמציה מכנית ללא מגע ישיר מציע ללקוחות פוטנציאליים שליטה מרחוק. כדי להנדס הפיך, שינוי צורה (RSC) מבנים חומרים פעילים להגיב לגירויים חיצוניים כגון אור, חום או שדות חשמליים משמשים יחד עם חומרים nonactive אחרים. למרות מתקדם חומר רב 3-D הדפסה אפשרה את העיצוב ואת ייצור של מבנים RSC, רק חומרים ספציפיים ניתן להדפיס, הגבלת השימוש הרחב.

כחלופה, שיטה פשוטה יותר הוצגה לאחרונה באמצעות "תבנית גווני אפור" כדי לשלוט על עוצמת האור הפצה של דפוס מוקרן על photopolymers או שרפים מופעל אור ולהפוך crosslinking ליצור הפיך, קיפול עצמי ופריסה 2-D מבנים אוריגמי. עוצמות אור שונות הביאו צפיפויות crosslinking שונים בתוך הסדינים פולימר photocured. במחקר חדש, צ'י ועמיתים לעבודה העבירו את התבנית בגווני אפור להפצה בעוצמת אור מבוקרת ממשטח דו-ממדי להדפסה תלת-ממדית למהנדסים של RSC שכבת שכבה. אם דפוסי גווני אפור תוכננו היטב, מגוון רחב של מבנים תלת-ממדיים עם יכולת להתכווץ ולהתנפח בצורה הפוכה בזמן (הממד הרביעי) להתנהגות של 4-D התאפשרו. התוצאות מתפרסמות כעת בחומרים רב תכליתיים, IOP Science.

כהוכחה לעיקרון, המחקר השתמש במדפסת עיבוד אור דיגיטלי (DLP) עבור הדפסה בגווני אפור 4-D עם מקור אור מקרן UV להדפסת פולימר שרף נוזלי photocurable המורכב diacrylate פוליאתילן (אתילן גליקול) (PEGDA), בוטיל methacrylate (BMA), butyl acrylate (BA), photoinitiators ו photabsorbers. מבנה העניין תוכנן לראשונה וחתך לתמונות המתאימות לכל שכבת הדפסה. גווני האפור המעוצבים של כל תמונה בעמדות מרחביות שונות עובדו באמצעות Matlab ועברו למקרן UV להדפסה. העיקרון של ייצור החומר היה מבוסס על הקרנה אור על התקשות photoinduce של הפתרון שרף נוזלי. המוצר המהונדס היה מבנה עם צפיפות crosslink שונים בעמדות מרחביות שונות כדי לאפשר שינויים צורה הפיך.

כאשר המבנה המודפס היה שקוע באמבט מים, החל תהליך המכונה "desolvation", כאשר אוליגומרים קטנים בתוך החומר הצולב שונה מפוזרים מחוץ למבנה, ומאפשרים לעיוות המבנה המודפס כלפי החלק פחות ריפוי. בהתבסס על העיצוב של דפוסי גווני אפור, מגוון של מבנים קיפול עצמי נוצרו באמצעות desolvation המושרה דפורמציה.

שינוי הצורה היה הפיך במהירות יחסית פתרון של אצטון; מבנים שקלטו את הממס כדי להתנפח ולשחזר את הצורה המקורית שלו תוך כדי פתרון. המבנה המתאושש יתכופף שוב עם סילוקו מאצטון ויחזור למבנה המשני שלו באוויר.

באופן עקרוני, ערך גווני אפור של כל פיקסל של התמונה פרוס נשלט את עוצמת האור או מינון אור, אשר השפיעו על ההמרה הסופית של החומר במהלך ההדפסה. התהליך היה דיגיטציה עבור שליטה מדויקת על דפוס גווני אפור ואת המבנה שנוצר. חומרים שפותחו לאחרונה השתמשו ב- ATR-FTIR (ספקטרוסקופיית השתקפות מוחלטת של ה- FRIR), כדי למדוד את מידת הריפוי (DoC) של המדגם photopolymerized, ולאחר מכן לכמת את מודולוס הצעירים לבדיקת קשיחות החומר, קינטיקה וכימות desolvation לעומת ההתאוששות.

מבנים פעילים שמשנים צורה או פונקציה הפיך בתגובה לגירויים חיצוניים יש יישומים בהנדסת חלל, מכשירים רפואיים ואלקטרוניקה גמישה כמו פולימרים זיכרון צורה. הרחבת / התכווצות מבנים שימושיים כמו actuators אור עבור יישומים כמו stents endovascular. עיצובים אלה היו גם מהונדסים במחקר כמו עצמית הרחבת / חומרי התכווצות באמצעות שיטת הדפסה 4-D בגווני אפור. זמן הטרנספורמציה השתנה בין 6 דקות באצטון ל -25 דקות באוויר. הקונספט הורחב אז משטח שטוח לצורת קובייה באמצעות אותה שיטה, זמן ההתאוששות באצטון היה כ 4 דקות זמן ייבוש באוויר היה 8 דקות. שימוש באותו רעיון Wu et al. יצרה גם מבנה דמוי פרח להתכווץ בתמיסה ופריחה באוויר.

החוקרים פיתחו בנוסף מבנים אוקסטיים מתקדמים (שיש להם יחס שלילי של פואסון) בשילוב עם חומרים רגילים (יחס פויסון חיובי) המעסיקים את טכניקת ההדפסה, להנדסת טרנספורמציה בין השניים.

שיטת ההדפסה בגווני אפור 4-D פותחה כהוכחת-עקרון כדי לספק טכניקה פשוטה וחסכונית ליצירת מבנים פעילים. החוקרים מציעים מגוון של יישומים ביו-רפואיים פוטנציאליים לחומרים המהונדסים כחומרים מרוכבים ברובוטים רכים ובסטנטות אנדוסקולריות.

menu
menu