För första gången, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har framgångsrikt 3-D-tryckta kompositsilikonmaterial som är flexibla, töjbar och har formminnesbeteende, en upptäckt som kan användas för att skapa formsydd dämpning som aktiveras av kroppsvärme, som i en hjälm eller sko.

Som beskrivs i deras tidning publicerad online av Vetenskapliga rapporter , genom att lägga till ihåliga, gasfyllda "mikroballonger" i silikonbaserat bläck, forskarna konstruerade materialet så att det kan komprimeras eller "programmeras" vid en förhöjd temperatur, kvar i det tillståndet när det svalnar. Vid återuppvärmning, gasen i mikroballongerna expanderar, vilket gör att strukturerna återgår till sin ursprungliga form. I kombination med 3D-utskrift, detta formminnesbeteende kallas ofta "4-D-utskrift, " med den fjärde dimensionen tid.

"Den imponerande delen var hur väl strukturerna kunde återställa sin form efter att de värmts upp igen, " sa LLNL-forskaren Amanda Wu, huvudförfattaren på tidningen. "Vi såg inte en förvrängd struktur, vi såg en helt återställd struktur. Eftersom silikonnätverket är helt tvärbundet, den håller ihop delen, så att strukturen återställer sin ursprungliga form på en förutsägbar, repeterbart sätt."

I ett slag av serendipity, forskarna upptäckte materialet av misstag när de försökte konstruera ett hierarkiskt poröst material som helt skulle återhämta sig efter att ha komprimerats under värme, uppvisar vad som kallas noll kompressionsuppsättning. Istället, de fick motsatt resultat. Oavskräckt, LLNL-forskare Ward Small och medföreståndare Thomas Wilson undrade vad som skulle hända om de värmde upp strukturerna, tror att gasen som fångas i materialet kan få det att expandera igen. Som det blev, det var precis vad som hände.

"Initialt, detta var ett accelererat åldringstest för att se om materialet skulle vara användbart, ", sa Small. "Detta material fick en ganska stor kompressionsuppsättning och det fick oss att undra om det var permanent. Vi var inte riktigt förtjusta över det, men vi hade experimenterat med formminne tidigare och försökt se om den kunde återställa sin form när den värmdes upp. Vi testade det och det gjorde det."

Nyckeln till formminnesbeteendet är polymermikroballongerna som är inbäddade i silikonbläcket. Det tunna polymerskalet i mikroballongen har en glasövergångstemperatur; under den temperaturen, skalet är styvt och glasigt och över temperaturen, skalet blir mjukt och formbart. Därför, genom att värma kompositmaterialet över skalglasets övergångstemperatur, sfärernas polymerskal mjuknar, vilket gör att de kan komprimeras och ändra sin form på ett sätt som förblir deformerat och motstår återexpansion av silikonmatrisen när den kyls. Vid återuppvärmning, ballongerna expanderar, och den återställande kraften hos den uppvärmda gasen och silikonen gör det möjligt för strukturen att återställa sin ursprungliga kontur.

LLNL-forskaren Taylor Bryson utförde det experimentella arbetet, blandning av bläck som kan innehålla mikroballongerna men som inte blockerar 3D-skrivarens munstycke, och värma och komprimera och kyla de tryckta proverna för att ställa in deras form, och sedan återuppvärmning för att expandera dem.

"Vi skulle ta ut dem varma och låta dem svalna i närvaro av en tryckkraft och testa deras tjocklek för att mäta kompressionssättningen, " sa Bryson. "Så för att se om de skulle expandera igen, vi skulle värma upp dem, sätt tillbaka dem i ugnarna vid samma temperaturer eller varmare i frånvaro av en tryckkraft, och se om de skulle få tillbaka sin form. Förvånande, vi fick nära till 100 procent återhämtning."

Forskarna skrev ut sina prover med en direktbläckskrivprocess, där kompositbläckmaterialet extruderades vid rumstemperatur från skrivarens munstycke för att bilda trähögliknande strukturer med kontrollerad porositet och arkitektur. Genom att kunna 3-D skriva ut materialet, forskarna sa, den blir lättare och mer funktionell, och de kan utöva större kontroll över dess övergripande 3D-geometri och sammansättning.

Vad som är unikt med deras tillvägagångssätt, forskarna sa, är att formminneskomponenten är konstruerad i materialet, så att mikroballongerna kan användas för att integrera formminne i vilket polymerbasmaterial som helst, inklusive töjbara material såsom elastomerer.

"Historiskt sett, formminnespolymerer tenderar att vara mycket styva, " sa materialforskaren Eric Duoss, en medrektor för projektet. "Genom att integrera mikroballonger i en gummiartad matris, vi har skapat en komposit som är mjuk och stretchig, även under glasövergångstemperaturen för mikroballongerna, som är ett formminnesmaterial med tidigare ouppnåeliga egenskaper. Det visade sig vara väldigt slumpmässigt."

Laboratorieforskare har lämnat in en patentansökan för materialet. Eftersom den kan 3D-skrivas ut till en godtycklig nätform och göras till en mycket porös struktur med både öppna och slutna celler, forskare sa att det kan vara användbart för termiskt aktiverad dämpning som är mycket inställbar och anpassningsbar. Till exempel, genom att modulera mikroballongglasets övergångstemperatur till att vara under kroppstemperaturen, materialet kan komprimeras under värme och kylas, förvaras sedan kallare än kroppstemperaturen. När den bärs, det skulle expandera för att passa huvudet i en hjälm eller en fot i en sko. I det fall där glasövergångstemperaturen är något över kroppstemperaturen, bäraren kan värma materialet i en ugn eller kastrull med varmt vatten, och sedan passa den, liknar processen att formpassa ett munskydd.

"Du kan använda detta för alla anpassade mekaniska energiabsorberande material, " Sa Duoss. "Det snygga är om bäraren växer lite och vill montera om materialet, de bara värmer upp det för att expandera det, sätt på den och låt den svalna för att återigen anpassa passformen. Det är reversibelt. Det är verkligen ett helt nytt material, och vi är exalterade över det. Det är ett material som borde ha mycket kommersiell potential och som borde vara moget för tekniköverföring till industrin."

Wu sa att processen skulle kunna skalas upp för att producera mycket större delar för förpacknings- och transportapplikationer. Dessutom, materialet behöver inte nödvändigtvis 3D-utskrivas. Mikroballonger kan inkorporeras i alla typer av basmaterial och formas eller gjutas, Wu sa, men det resulterande materialet kanske inte har samma kompressibilitet som 3-D-tryckta porösa strukturer.