Formminnespolymerer eller formskiftande material är smarta material som har fått stor uppmärksamhet inom materialvetenskap och biomedicinsk teknik under de senaste åren för att bygga smarta strukturer och enheter. Digital ljusbearbetning är en karfotopolymerisationsbaserad metod med betydligt snabbare teknologi för att skriva ut ett helt lager i ett enda steg för att skapa smarta material.
Fahad Alam och ett team av forskare inom el- och datorteknik samt kärnteknik vid King Abdullah University of Science and Technology, Saudiarabien utvecklade en enkel och snabb metod för att 3D-skriva ut formminne polymerbaserade smarta strukturer med digital ljusutskrift 3D-skrivare och anpassad harts.
De kombinerade en flytande kristall (ett material som kan ändra sin form med temperaturen) med harts, för att introducera formminnesegenskaper för direkt 3D-utskrift av termoresponsiva strukturer – samtidigt som man undvek komplexiteten med hartsberedning. Teamet skrev ut strukturerna med olika geometrier och mätte form-minnesresponsen. Formminnespolymererna kan bekvämt förberedas för användning som smarta verktyg, leksaker och metamaterial.
Artikeln är publicerad i tidskriften NPG Asia Materials .
Formminnespolymerer tillhör en klass av smarta polymerer med dubbla former som kan genomgå mekanisk deformation och återgå till sin ursprungliga form som svar på miljöparametrar. Formminnespolymeråtervinningen beror på appliceringen av externa stimuli såsom värme, ljus, elektricitet, fuktighet och pH-förändringar.
Sådana material är formskiftande konstruktioner som har fått stort intresse de senaste åren på grund av sin mångsidighet och industriella livskraft. Forskargruppen demonstrerade 4D-utskrift av formminnespolymerer via digital ljusbearbetning; en 3D-utskriftsmetod baserad på karfotopolymerisation. Resultaten framhävde lämpligheten hos 3D-utskrivna komplexa strukturer för en mängd olika tillämpningar.
Skapa formminneseffekten
Forskargruppen undersökte formminneseffekten av de 3D-utskrivna proverna genom att studera forminduktions- och återhämtningsprocessen. Metoden möjliggjorde enkel och högupplöst utskrift av invecklade 3D-designer. Dessa konstruktioner är användbara för en mängd olika applikationer som flexibla smarta lappar, mekaniska verktyg med varierande storlek och deformerbara leksaker. I detta arbete utvecklade Alam och kollegor en polymer med formminne baserad på en flytande kristall blandad med ett fotohärdbart harts, för att utveckla en semikristallin polymer och beskrev dess verkningsmekanism, baserat på tidigare studier.
Teamet observerade den interna morfologin hos de 3D-utskrivna tvärsnitten med eller utan flytande kristaller genom att använda svepelektronmikroskopi. De observerade sedan svaren hos polymerer med formminne i förhållande till deras förmåga att återhämta sig efter lastbärande. Det aktuella arbetet visade inverkan av digital 3D-ljusbehandling för att skapa formminnespolymerer med 4D-effekter. Forskarna kvantifierade formminnessvaret för att visa återhämtningsvinkelförhållandet kontra tid.
Inställbara mekaniska egenskaper
Forskarna utforskade de lovande tillämpningarna av 3D-printade smarta minnespolymerer. För att åstadkomma detta bestämde Alam och kollegor de mekaniska egenskaperna hos materialen genom att utföra dragtester på ett hundbensprov, för att visa hur de mekaniska egenskaperna hos tryckta material kan ställas in genom att reglera formen på gitterstrukturerna.
De bekräftade den mekaniska avstämningsförmågan hos smarta material genom att genomföra finita elementsimuleringar och jämförde experimentresultaten med dragtester från finita elementanalysen. De mekaniska prestanda för 2D-gittren observerade genom experiment och förutspådda via simulering överenskom. Baserat på flexibiliteten och töjbarheten testade Alam och teamet proverna för töjningstestning och för applikationer för ledrörelseavkänning.
För att underlätta ledrörelser via polymerintegration applicerade forskarna en nano-silverbaserad ledande beläggning som en elektrod, vilket krävde ytterligare optimering av utskriftsparametrarna. Forskarna mätte förändringarna i elektriskt motstånd genom att sträcka och komprimera strukturen för att underlätta rörelse hos patienter.
Resultaten av resistansmätning av den förberedda gitterelektrodlappen visade dess potential för användning som en smart patch för ledrörelseavkänning; detta kan appliceras på ett mänskligt knä, armbågsled, konstgjord lem eller riktiga lemmar för att känna rörelse. Sådana elektrodplåster kan anpassas till patientens storlek under enkla och snabba tillverkningsprocesser.
Outlook
På detta sätt presenterade Fahad Alam och teamet en metod för att 3D-printa smarta material genom att först använda formminnespolymerer för enkel och snabb tillverkning genom digital ljusbearbetning. Forskarna anpassade de 3D-utskrivna objekten för att skapa strukturer som förändrades med tiden, detta kallas 4D-utskrift. De uppnådde detta genom att kombinera flytande kristaller med ett harts och skriva ut det med en kommersiell skrivbordsskrivare. Forskarna använde metoden för att tillverka en mängd komplexa föremål, inklusive gallerlappar, vikbara leksaker, smarta förpackningar och mekaniska skiftnycklar.
Forskarna utsatte dessa föremål för värme, för att tillfälligt ändra sin form och för efterföljande formåtervinningstillämpningar. Teamet använde dragtester för att visa den justerbara naturen hos polymerer med formminne, för att möta specifika tillämpningar inom biomedicinsk teknik. Sådana 3D-printade gitterlappar är väl lämpade för belastningsavkänning i applikationer för ledrörelser. Forskarna registrerade förändringarna i elektriskt motstånd från den 3D-printade smarta plåstret för att upptäcka rörelser i artificiella lemleder och patienters armar.
Mer information: Fahad Alam et al, Swift 4D-utskrift av termoresponsiva formminnespolymerer med hjälp av karfotopolymerisation, NPG Asia Materials (2023). DOI:10.1038/s41427-023-00511-x
© 2023 Science X Network
