En ny 3D-utskriftsmetod kommer att göra det lättare att tillverka och kontrollera formen på mjuka robotar, konstgjorda muskler och bärbara enheter. Forskare vid UC San Diego visar att genom att kontrollera utskriftstemperaturen för flytande kristallelastomer, eller LCE, de kan styra materialets styvhetsgrad och förmåga att dra ihop sig - även kallad grad av aktivering. Vad mer, de kan ändra styvheten för olika områden i samma material genom att utsätta det för värme.

Som ett bevis på konceptet, forskarna 3D-tryckta i ett enda tryck, med ett enda bläck, strukturer vars styvhet och påverkan varierar med storleksordningar, från noll till 30 procent. Till exempel, ett område av LCE -strukturen kan dra ihop sig som muskler; och en annan kan vara flexibel, som senor. Genombrottet var möjligt eftersom laget studerade LCE noga för att bättre förstå dess materialegenskaper.

Laget, ledd av Shengqiang Cai, professor vid Institutionen för mekanisk och rymdteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, beskriver deras arbete i 25 september -numret av Vetenskapliga framsteg .

Forskare inspirerades att skapa detta material med olika grader av aktivering genom exempel inom biologi och natur. Förutom kombinationen av muskler och senor, forskare tog ledtrådar från bläckfiskens näbb, som är extremt stel vid spetsen men mycket mjukare och formbar där den är ansluten till bläckfiskens mynning.

"3D-utskrift är ett bra verktyg för att göra så många olika saker-och det är ännu bättre nu när vi kan skriva ut strukturer som kan dra ihop sig och stelna efter önskemål under en viss stimulans, I detta fall, värme, "sade Zijun Wang, tidningens första författare och en doktorsexamen student i Kais forskargrupp.

Förstå materialegenskaper

För att förstå hur man justerar materialegenskaperna för LCE, forskare studerade först materialet mycket noga. De bestämde att tryckt LCE -filament är tillverkat av ett skal och en kärna. Medan skalet svalnar snabbt efter utskrift, blir hårdare, kärnan svalnar långsammare, förblir mer formbara.

Som ett resultat, forskare kunde avgöra hur man varierar flera parametrar i utskriftsprocessen, speciellt temperaturen, för att justera de mekaniska egenskaperna hos LCE. I ett nötskal, ju högre utskriftstemperatur, desto mer flexibelt och formbart material. Medan beredningen av LCE -bläcket tar några dagar, den faktiska 3D-utskriften kan göras på bara 1 till 2 timmar, beroende på geometrin för strukturen som skrivs ut.

"Baserat på förhållandet mellan egenskaperna hos LCE -filament och utskriftsparametrar, det är enkelt att konstruera strukturer med graderade materialegenskaper, "sa Cai.

Varierande temperatur till 3D-utskriftsstrukturer

Till exempel, forskare skrev ut en LCE -skiva vid 40 grader C (104 F) och värmde upp den till 90 grader C (194 F) i varmt vatten. Skivan deformeras till en konisk form. Men en LCE -skiva består av områden som skrivs ut vid olika temperaturer (40, sedan 80 sedan 120 grader Celsius, till exempel), deformeras i en helt annan form vid uppvärmning.

Forskare också 3D-tryckta strukturer gjorda av två lager av LCE med olika egenskaper och visade att detta gav materialet ännu mer frihet att verka. Forskare tryckte också upp gitterstrukturer med materialet, som kan användas i medicinska tillämpningar.

Till sist, som ett bevis på konceptet, team 3-D skrev ut ett LCE-rör som de hade ställt in under 3D-utskrift och visade att det kunde klibba fast på en styv glasplatta mycket längre vid aktivering vid höga temperaturer, cirka 94 C (201 F), än ett vanligt LCE -rör med homogena egenskaper. Detta kan leda till tillverkning av bättre robotfötter och gripare.

Aktiveringen av materialet kan aktiveras inte bara i varmt vatten utan också genom att införa LCE med värmekänsliga partiklar eller partiklar som absorberar ljus och omvandlar det till värme-allt från svart bläckpulver till grafen. En annan mekanism skulle vara att 3D-skriva ut strukturerna med elektriska ledningar som genererar värme inbäddad i LCE.

Nästa steg inkluderar att hitta ett sätt att justera materialets egenskaper mer exakt och effektivt. Forskare arbetar också med att modifiera bläcket så att de tryckta strukturerna kan repareras själv, omprogrammerbar, och återvinningsbart.