Från månlandningar till mobiltelefoner, många av de långsiktiga visionerna om science fiction har förvandlats till verklighet. I det senaste exemplet på denna trend, forskare rapporterar att de har utvecklat en kraftfull skrivare som kan effektivisera skapandet av självmonterande strukturer som kan ändra form efter att ha utsatts för värme och andra stimuli. De säger att denna unika teknik kan påskynda användningen av 4-D-utskrifter inom rymd, medicin och andra industrier.

Forskarna presenterar sitt arbete i dag vid det 255:e nationella mötet och utställningen av American Chemical Society (ACS).

"Vi är på väg att skapa en ny generation av enheter som avsevärt kan utöka de praktiska tillämpningarna för 3-D och 4-D-utskrift, "H. Jerry Qi, Ph.D., säger. "Vår prototypskrivare integrerar många funktioner som verkar förenkla och påskynda de processer som används vid traditionell 3D-utskrift. Som ett resultat, vi kan använda en mängd olika material för att skapa hårda och mjuka komponenter samtidigt, integrera ledande ledningar direkt i formförändrande strukturer, och slutligen satte scenen för utvecklingen av en mängd 4-D-produkter som skulle kunna omforma vår värld."

4-D-utskrift är en framväxande teknologi som gör att 3-D-tryckta komponenter kan ändra sin form över tid efter exponering för värme, ljus, fukt och andra miljöfaktorer. Dock, 4D-utskrift är fortfarande utmanande, delvis för att det ofta kräver komplexa och tidskrävande efterbearbetningssteg för att mekaniskt programmera varje komponent. Dessutom, många kommersiella tryckerier kan bara skriva ut 4D-strukturer som består av ett enda material.

Förra året, Qi och hans kollegor vid Georgia Institute of Technology, i samarbete med forskare vid Singapore University of Technology and Design, använde en komposit gjord av en akryl och en epoxi tillsammans med en kommersiell skrivare och en värmekälla för att skapa 4D-objekt, som en blomma som kan stänga sina kronblad eller en stjärna som förvandlas till en kupol. Dessa objekt omvandlade formen upp till 90 procent snabbare än vad som tidigare var möjligt eftersom forskarna införlivade de tråkiga mekaniska programmeringsstegen direkt i 3D-utskriftsprocessen. Bygga vidare på detta arbete, forskarna försökte utveckla en allt-i-ett-skrivare för att hantera andra 4-D-utmaningar och flytta tekniken närmare praktisk tillämpning.

Maskinen som de till slut tog fram kombinerar fyra olika trycktekniker, inklusive aerosol, bläckstråleskrivare, direkt bläckskrivning och modellering av smältdeponering. Den kan hantera en mängd styva och elastiska material inklusive hydrogeler, silver nanopartikelbaserade ledande bläck, flytande kristallelastomerer och formminnespolymerer, eller SMP. SMP, vilka är de vanligaste ämnena som används i 4-D-utskrift, kan programmeras att "komma ihåg" en form och sedan förvandlas till den när den värms upp. Med denna nya teknik, forskarna kan skriva ut SMP:er av högre kvalitet som kan göra mer komplicerade formförändringar än tidigare, öppnar dörren för en mängd funktionella 4D-applikationer och designs.

Forskarna kan också använda skrivaren för att projicera en rad vita, grå eller svarta nyanser av ljus för att bilda och bota en komponent till ett fast ämne. Denna gråskalebelysning utlöser en tvärbindningsreaktion som kan ändra komponentens beteende, beroende på gråskala av nyans som lyser på den. Så, till exempel, en ljusare ljus nyans skapar en del som är hårdare, medan en mörkare nyans ger en mjukare del. Som ett resultat, dessa komponenter kan böjas eller töjas annorlunda än andra delar av 4-D-strukturen runt dem.

Skrivaren kan till och med skapa elektriska ledningar som kan skrivas ut direkt på en antenn, sensor eller annan elektrisk anordning. Processen bygger på en direkt-bläck-skriv-metod för att producera en rad silver nanopartikelfärg. En fotonisk härdningsenhet torkar och koalescerar nanopartiklarna för att bilda ledande tråd. Sedan, skrivarens bläckstrålekomponent skapar plastbeläggningen som omsluter tråden.

För närvarande, Qis team arbetar också med Children's Healthcare i Atlanta för att avgöra om denna nya teknik kan skriva ut proteshänder för barn som föds med missbildade armar.

"Bara en liten grupp barn har detta tillstånd, så det finns inte så mycket kommersiellt intresse för det och de flesta försäkringar täcker inte utgifterna, " säger Qi. "Men dessa barn har många utmaningar i sina dagliga liv, och vi hoppas att vår nya 4-D-skrivare hjälper dem att övervinna några av dessa svårigheter."