Aangezien 3D-printen een gangbare technologie is geworden, industriële en academische onderzoekers hebben onderzoek gedaan naar afdrukbare structuren die zichzelf in bruikbare driedimensionale vormen vouwen wanneer ze worden verwarmd of ondergedompeld in water.

In een artikel dat verschijnt in het tijdschrift van de American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces , onderzoekers van MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) en collega's melden iets nieuws:een afdrukbare structuur die zichzelf begint op te vouwen zodra deze van het printplatform wordt verwijderd.

Een van de grote voordelen van apparaten die zichzelf opvouwen zonder enige prikkel van buitenaf, zeggen de onderzoekers, is dat ze een breder scala aan materialen en meer delicate structuren kunnen omvatten.

"Als je geprinte elektronica wilt toevoegen, je gaat over het algemeen wat organische materialen gebruiken, omdat een meerderheid van de gedrukte elektronica erop vertrouwt, " zegt Subramanian Sundaram, een MIT-afgestudeerde student in elektrotechniek en informatica en eerste auteur van het papier. "Deze materialen zijn vaak erg, zeer gevoelig voor vocht en temperatuur. Dus als je deze elektronica en onderdelen hebt, en je wilt er vouwen in beginnen, je zou ze niet in water willen dompelen of verwarmen, want dan gaat je elektronica achteruit."

Om dit idee te illustreren, de onderzoekers bouwden een prototype zelfvouwend afdrukbaar apparaat dat elektrische leidingen en een polymeer "pixel" bevat die van transparant in ondoorzichtig verandert wanneer er een spanning op wordt toegepast. Het apparaat, wat een variatie is op de "afdrukbare goudkever" die Sundaram en zijn collega's eerder dit jaar aankondigden, begint er ongeveer uit te zien als de letter "H." Maar elk van de poten van de H vouwt zichzelf in twee verschillende richtingen, het produceren van een tafelbladvorm.

De onderzoekers bouwden ook verschillende versies van hetzelfde basisscharnierontwerp, waaruit blijkt dat ze de precieze hoek kunnen bepalen waaronder een gewricht vouwt. Bij testen, ze hebben de scharnieren met geweld rechtgetrokken door ze aan een gewicht te bevestigen, maar toen het gewicht werd verwijderd, de scharnieren hervatten hun oorspronkelijke plooien.

Op korte termijn, de techniek zou de op maat gemaakte fabricage van sensoren mogelijk kunnen maken, toont, of antennes waarvan de functionaliteit afhangt van hun driedimensionale vorm. Langere termijn, de onderzoekers zien de mogelijkheid van printbare robots.

Sundaram wordt op het papier vergezeld door zijn adviseur, Wojciech Matusik, een universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen (EECS) aan het MIT; Marc Baldo, tevens universitair hoofddocent EECS, die gespecialiseerd is in organische elektronica; David Kim, een technisch assistent in de Computational Fabrication Group van Matusik; en Ryan Hayward, een professor in polymeerwetenschap en -techniek aan de Universiteit van Massachusetts in Amherst.

Drukvermindering

De sleutel tot het ontwerp van de onderzoekers is een nieuw printerinktmateriaal dat uitzet nadat het stolt, wat ongebruikelijk is. De meeste printerinktmaterialen krimpen enigszins naarmate ze stollen, een technische beperking waar ontwerpers vaak omheen moeten werken.

Geprinte apparaten zijn in lagen opgebouwd, en in hun prototypes deponeren de MIT-onderzoekers hun uitzettende materiaal op precieze locaties in de bovenste of onderste paar lagen. De onderste laag hecht enigszins aan het printerplatform, en die hechting is voldoende om het apparaat plat te houden terwijl de lagen worden opgebouwd. Maar zodra het voltooide apparaat van het platform wordt gepeld, de verbindingen gemaakt van het nieuwe materiaal beginnen uit te zetten, het apparaat in de tegenovergestelde richting buigen.

Zoals veel technologische doorbraken, de ontdekking van het materiaal door de CSAIL-onderzoekers was een ongeluk. De meeste printermaterialen die door Matusik's Computational Fabrication Group worden gebruikt, zijn combinaties van polymeren, lange moleculen die bestaan ​​uit kettingachtige herhalingen van enkelvoudige moleculaire componenten, of monomeren. Het mengen van deze componenten is een methode voor het maken van printerinkten met specifieke fysieke eigenschappen.

Terwijl we probeerden een inkt te ontwikkelen die flexibelere gedrukte componenten opleverde, de CSAIL-onderzoekers kwamen per ongeluk op een die iets uitzette nadat deze was uitgehard. Ze herkenden onmiddellijk het potentiële nut van expanderende polymeren en begonnen te experimenteren met modificaties van het mengsel, totdat ze bij een recept kwamen waarmee ze verbindingen konden bouwen die voldoende zouden uitzetten om een ​​afgedrukt apparaat doormidden te vouwen.

Waarom en waarom

Hayward's bijdrage aan de paper was om het MIT-team te helpen de uitbreiding van het materiaal uit te leggen. De inkt die de meest krachtige expansie produceert, omvat verschillende lange moleculaire ketens en één veel kortere keten, samengesteld uit het monomeer isooctylacrylaat. Wanneer een laag van de inkt wordt blootgesteld aan ultraviolet licht - of "uitgehard, " een proces dat vaak wordt gebruikt bij 3D-printen om materialen die als vloeistoffen zijn afgezet te harden - de lange kettingen zijn met elkaar verbonden, het produceren van een stijf struikgewas van verwarde moleculen.

Wanneer een andere laag van het materiaal bovenop de eerste wordt afgezet, de kleine ketens van isooctylacrylaat in de top, vloeistoflaag zakt in de onderste, stijvere laag. Daar, ze werken samen met de langere ketens om een ​​expansieve kracht uit te oefenen, die de hechting aan het printplatform tijdelijk weerstaat.

De onderzoekers hopen dat een beter theoretisch begrip van de reden voor de uitzetting van het materiaal hen in staat zal stellen materiaal te ontwerpen dat is afgestemd op specifieke toepassingen, inclusief materialen die bestand zijn tegen de 1-3 procent krimp die typisch is voor veel gedrukte polymeren na uitharding.

"Dit werk is opwindend omdat het een manier biedt om functionele elektronica te creëren op 3D-objecten, " zegt Michael Dickey, een professor in de chemische technologie aan de North Carolina State University. "Typisch, elektronische verwerking gebeurt in een vlakke, 2-D mode en heeft dus een vlakke ondergrond nodig. Het werk hier biedt een route om elektronica te creëren met behulp van meer conventionele vlakke technieken op een 2D-oppervlak en deze vervolgens om te zetten in een 3D-vorm, met behoud van de functie van de elektronica. De transformatie gebeurt door een slimme truc om tijdens het printen spanning in de materialen in te bouwen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.