Voor de eerste keer, Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben met succes 3D-geprinte composietsiliconenmaterialen die flexibel zijn, rekbaar en bezit vormgeheugengedrag, een ontdekking die kan worden gebruikt om nauwsluitende demping te creëren die wordt geactiveerd door lichaamswarmte, zoals in een helm of schoen.

Zoals beschreven in hun paper online gepubliceerd door Wetenschappelijke rapporten , door hol toe te voegen, met gas gevulde "microballonnen" in inkt op siliconenbasis, de onderzoekers hebben het materiaal zo ontworpen dat het kan worden gecomprimeerd of "geprogrammeerd" bij een verhoogde temperatuur, in die staat blijven terwijl het afkoelt. Wanneer opgewarmd, het gas in de microballonnen zet uit, waardoor de structuren terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm. In combinatie met 3D-printen, dit vormgeheugengedrag wordt vaak aangeduid als "4-D printen, " waarbij de vierde dimensie tijd is.

"Het indrukwekkende was hoe goed de structuren hun vorm konden herstellen nadat ze waren opgewarmd, " zei LLNL-onderzoeker Amanda Wu, de hoofdauteur van het papier. "We zagen geen vervormde structuur, we zagen een volledig herstelde structuur. Omdat het siliconennetwerk volledig verknoopt is, het houdt het deel bij elkaar, zodat de structuur zijn oorspronkelijke vorm terugkrijgt in een voorspelbare, herhaalbare manier."

In een serendipiteit, de onderzoekers ontdekten het materiaal per ongeluk terwijl ze probeerden een hiërarchisch poreus materiaal te construeren dat volledig zou herstellen nadat het onder hitte was gecomprimeerd, tentoonstellen van wat bekend staat als nulcompressieset. In plaats daarvan, ze kregen het tegenovergestelde resultaat. onverschrokken, LLNL-wetenschappers Ward Small en co-hoofdonderzoeker Thomas Wilson vroegen zich af wat er zou gebeuren als ze de structuren opnieuw zouden opwarmen, denken dat het gas dat in het materiaal zit, ervoor kan zorgen dat het opnieuw uitzet. Zoals later bleek, dat is precies wat er gebeurde.

"In eerste instantie dit was een versnelde verouderingstest om te zien of het materiaal bruikbaar zou zijn, " zei Small. "Dit materiaal kreeg een behoorlijk grote compressieset en dat deed ons afvragen of het permanent was. Daar waren we niet echt enthousiast over, maar we hadden in het verleden geëxperimenteerd met vormgeheugen en probeerden te zien of het zijn vorm kon herstellen bij verhitting. We hebben het getest en het is gelukt."

De sleutel tot het vormgeheugengedrag zijn de polymere microballonnen die in de siliconeninkt zijn ingebed. De dunne polymere schaal in de microballon heeft een glasovergangstemperatuur; onder die temperatuur, de schaal is stijf en glazig en boven de temperatuur, de schaal wordt zacht en kneedbaar. Daarom, door het composietmateriaal te verwarmen boven de overgangstemperatuur van het schaalglas, de polymeerschillen van de bollen worden zachter, waardoor ze kunnen worden gecomprimeerd en hun vorm kunnen veranderen op een manier die vervormd blijft en bestand is tegen heruitzetting van de siliconenmatrix bij afkoeling. Wanneer opgewarmd, de ballonnen zetten uit, en de herstellende kracht van het verwarmde gas en siliconen zorgt ervoor dat de structuur zijn oorspronkelijke contour kan herstellen.

LLNL-onderzoeker Taylor Bryson voerde het experimentele werk uit, het mengen van inkten die de microballonnen zouden kunnen bevatten, maar die het mondstuk van de 3D-printer niet zouden blokkeren, en het verwarmen en comprimeren en koelen van de afgedrukte monsters om hun vorm in te stellen, en vervolgens opwarmen om ze uit te breiden.

"We haalden ze er heet uit en lieten ze afkoelen in de aanwezigheid van een compressiekracht en testten hun dikte om de compressieset te meten, "zei Bryson. "En om te zien of ze opnieuw zouden uitbreiden, we zouden ze opwarmen, zet ze terug in de ovens bij dezelfde temperatuur of heter in afwezigheid van een drukkracht, en kijken of ze hun vorm zouden herstellen. Verrassend genoeg, we zijn bijna 100 procent hersteld."

De onderzoekers drukten hun monsters af met behulp van een direct-inkt-schrijfproces, waarbij het samengestelde inktmateriaal bij kamertemperatuur uit het mondstuk van de printer werd geëxtrudeerd om houtstapelachtige structuren te vormen met gecontroleerde porositeit en architectuur. Door het materiaal in 3D te kunnen printen, zeiden de onderzoekers, het wordt lichter en functioneler, en ze kunnen meer controle uitoefenen over de algehele 3D-geometrie en compositie.

Wat uniek is aan hun aanpak, zeiden de onderzoekers, is dat de vormgeheugencomponent in het materiaal is ingebouwd, dus de microballonnen kunnen worden gebruikt om vormgeheugen te integreren in elk polymeer basismateriaal, inclusief rekbare materialen zoals elastomeren.

"Historisch, vormgeheugenpolymeren hebben de neiging erg stijf te zijn, " zei materiaalwetenschapper Eric Duoss, een co-hoofdonderzoeker op het project. "Door microballonnen op te nemen in een rubberachtige matrix, we hebben een composiet gemaakt dat zacht en rekbaar is, zelfs onder de glasovergangstemperatuur van de microballonnen, dat is een vormgeheugenmateriaal met voorheen onbereikbare eigenschappen. Het bleek heel toevallig te zijn."

Labonderzoekers hebben een patentaanvraag ingediend voor het materiaal. Omdat het kan worden 3D-geprint in een willekeurige netvorm en kan worden gemaakt tot een zeer poreuze structuur met zowel open als gesloten cellen, onderzoekers zeiden dat het nuttig kan zijn voor thermisch geactiveerde demping die zeer afstembaar en aanpasbaar is. Bijvoorbeeld, door de overgangstemperatuur van het microballonglas te moduleren tot onder de lichaamstemperatuur, het materiaal zou onder hitte kunnen worden gecomprimeerd en gekoeld, vervolgens opgeslagen bij koeler dan lichaamstemperatuur. Wanneer gedragen, het zou uitzetten om het hoofd in een helm of een voet in een schoen te passen. In het geval dat de glasovergangstemperatuur iets boven de lichaamstemperatuur ligt, de drager kan het materiaal opwarmen in een oven of pan met warm water, en dan passen, vergelijkbaar met het proces van nauwsluitend een gebitsbeschermer.

"Je zou dit kunnen gebruiken voor elk aangepast mechanisch energieabsorberend materiaal, "Zei Duoss. "Het leuke is dat als de drager een beetje groeit en het materiaal wil aanpassen, ze verwarmen het gewoon om het uit te zetten, trek het aan en laat het afkoelen om de pasvorm opnieuw aan te passen. Het is omkeerbaar. Het is echt een compleet nieuw materiaal, en we hebben er zin in. Het is een materiaal dat veel commercieel potentieel zou moeten hebben en rijp zou moeten zijn voor technologieoverdracht naar de industrie."

Wu zei dat het proces kan worden opgeschaald om veel grotere onderdelen te produceren voor verpakkings- en transporttoepassingen. In aanvulling, het materiaal hoeft niet per se in 3D te worden geprint. Microballonnen kunnen in elk soort basismateriaal worden verwerkt en gegoten of gegoten, Wu zei, maar het resulterende materiaal heeft mogelijk niet dezelfde samendrukbaarheid als 3D-geprinte poreuze structuren.