Har du någonsin avbildat högupplösta 3D-strukturer i mikro/nanoskala som reagerar dynamiskt på sin omgivning? 4D-utskriftstekniken förändrar spelet genom att använda smarta material som uppvisar anmärkningsvärd formdeformation som svar på yttre stimuli, vilket visar den enorma potentialen för användning inom biomedicin, flexibel elektronik, mjuk robotik och flyg.
Men det finns en stor utmaning:för att 4D-utskrift ska ta sig in i mikrovärlden behöver vi en 3D-utskriftsteknik med högre upplösning som kan uppnå submikrometer eller till och med mindre skala funktioner.
I en publikation i International Journal of Extreme Manufacturing , Prof. Qi Ges team från Southern University of Science and Technology introducerar en spelväxlare – tvåfotonpolymerisationsbaserad (TTP-baserad) 4D-utskriftsteknik, som kan tillverka högupplösta, från 90 nm till 500 nm, och transformerbara 3D-strukturer i mikro/nanoskala.
Detta dokument syftar till att sammanfatta de aktuella framstegen inom den TPP-baserade 4D-utskriftstekniken och dess associerade applikationer. Det börjar med att belysa de tekniska framstegen med TPP-baserad 4D-utskrift, avgränsa dess grundläggande arbetsprincip och de senaste framstegen.
Dessutom kapslar recensionen in de framsteg som uppnåtts i smarta material som utnyttjas för TPP-baserad 4D-utskrift. Sist framhäver tidskriften de avgörande tillämpningarna av TPP-baserad 4D-utskrift, inklusive biomedicinska mikrorobotar, bioinspirerade mikroaktuatorer, autonoma mobila mikrorobotar, transformerbara mikrorobotar och anordningar mot förfalskning.
"TPP-teknik möjliggör tillverkning av multifunktionella mikro/nanostrukturer genom att välja lämpliga fotoresistmaterial som är skräddarsydda för de önskade funktionerna i målapplikationen", säger Bingcong Jian, den första författaren till uppsatsen.
"Dessa specialiserade fotoresister möjliggör skapandet av mikro-/nanostrukturer som uppvisar dynamiska egenskaper såsom stimulusrespons, biomimetisk självaktivering, färgförändring och formförändringsförmåga, som ligger utom räckhåll för kommersiella fotoresists. 4D-utskriftsmaterialen lämpliga för TPP introduceras enligt fyra kategorier:magnetiska material, formminnespolymerer, hydrogeler och flytande kristallelastomerer."
4D-utskrift är en programmerad transformation av den 3D-utskrivna strukturen i form, egenskaper och funktionalitet. Det kan realisera formförvandling, multifunktionalitet, självmontering och självreparation. Den är skrivaroberoende, tidsberoende och programmerbar. Framväxten av TPP-baserad 4D-utskriftsteknik har ett löfte om att revolutionera olika områden, inklusive robotteknik, biomedicin och nanoteknik, inom en snar framtid.
Applikationerna klassificeras baserat på strukturella utvecklingar och förändringar, såsom formförändring, färgförändring, tillståndsväxling och rörelse. Följaktligen kan de potentiella tillämpningarna av TPP-baserade 4D-utskrivna strukturer grupperas i fem kategorier:biomedicinska mikromaskiner, bioinspirerade mikroaktuatorer, autonoma mobila mikrorobotar, transformerbara enheter och robotar och mikroenheter mot förfalskning.
"När vi vågar oss djupare in i riket av TPP-baserad 4D-utskrift möts vi av både spänning och spännande utmaningar", konstaterar Qi Ge. "Vår väg framåt innebär att ta itu med dessa utmaningar med sikte på innovation och anpassning.
"En överordnad oro är behovet av att förbättra vår tillverkningskapacitet. För att göra TPP-baserad 4D-utskrift till en integrerad del av olika industrier måste vi utveckla utrustning som kan korsskala och hantera flera material i mikro/nanoskala. Detta innebär en resa mot högre utskriftshastighet, skalbarhet och precision Lika avgörande är vår strävan att optimera materialprestanda. De fotoresister vi använder är livsnerven i våra skapelser.
"För att uppnå strukturella transformationer och funktionell excellens måste vi förnya och förfina fotoresister med överlägsna kemiska, termiska och mekaniska egenskaper. Dessa material måste vara robusta, flexibla och hållbara. Men hjärtat i våra framtida ansträngningar ligger i vår designmetodik. Vi undersöker sätt att syntetisera process, material, struktur och funktion till en harmonisk designram.
"Det här tillvägagångssättet utnyttjar topologisk optimering och maskininlärning för att förfina utskriftsprocessen, materialval och strukturella konstruktioner samtidigt. Resultatet är förmågan att skapa mikro-/nanostrukturer med skräddarsydda funktioner.
"Vår strävan är tydlig. Genom avancerad designteknik strävar vi efter att låsa upp nya horisonter inom TPP-baserad 4D-utskrift. Att övervinna dessa utmaningar handlar inte bara om tekniska framsteg, det handlar om att omforma industrier och banbrytande innovativa tillämpningar. Vi är glada över att börja på denna resa när vi kartlägger framtiden för TPP-baserad 4D-utskrift."
Mer information: Bingcong Jian et al, Tvåfotonpolymerisationsbaserad 4D-utskrift och dess tillämpningar, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/acfc03
Tillhandahålls av International Journal of Extreme Manufacturing
