Onderzoekers van Dartmouth College hebben een slimme inkt ontwikkeld die 3D-geprinte structuren verandert in objecten die van vorm en kleur kunnen veranderen. De innovatie belooft nog meer functionaliteit toe te voegen aan 3D-printen en kan de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie drukwerk.

De vooruitgang op het gebied van vormveranderend intelligent printen - ook bekend als 4D-printen - biedt een goedkoop alternatief voor het printen van precisieonderdelen voor gebruik in gebieden variërend van biogeneeskunde tot de energie-industrie.

"Deze techniek geeft leven aan 3D-geprinte objecten, " zei Chenfeng Ke, een assistent-professor scheikunde in Dartmouth. "Hoewel veel 3D-geprinte structuren slechts vormen zijn die de moleculaire eigenschappen van het materiaal niet weerspiegelen, deze inkten brengen functionele moleculen naar de wereld van 3D-printen. We kunnen nu slimme objecten printen voor verschillende doeleinden."

Veel 3D-printprotocollen zijn gebaseerd op foto-uithardende harsen en resulteren in harde plastic objecten met stijve, maar willekeurige moleculaire architecturen. Het nieuwe proces stelt ontwerpers in staat om specifieke moleculaire uitlijningen en functies in een materiaal te behouden en die structuren om te zetten voor gebruik in 3D-printen.

Door gebruik te maken van een combinatie van nieuwe technieken in de pre-print en post-print processen, onderzoekers waren in staat om afgedrukte objecten te verkleinen tot 1 procent van hun oorspronkelijke grootte en met een resolutie van 10 keer. De 3D-geprinte objecten kunnen zelfs worden geanimeerd om herhaaldelijk uit te breiden en te krimpen door het gebruik van supramoleculaire pilaren. Met fluorescerende trackers, de objecten kunnen van kleur veranderen als reactie op een externe stimulus zoals licht.

De mogelijkheid om de grootte van een object na het afdrukken te verkleinen met behoud van functionele kenmerken en een hogere resolutie, stelt goedkope printers in staat om objecten met een hoge resolutie af te drukken die ooit alleen mogelijk waren met veel geavanceerdere printers.

Volgens de studie, die werd geselecteerd als een VIP-paper door Angewandte Chemie , het tijdschrift van de Duitse Chemische Vereniging, de slimme inkt kan op een ruwe, 300 micron resolutie, maar het eindproduct zou een veel fijnere lijnbreedte van 30 micron hebben.

"Dit proces kan een $1 gebruiken, 000 printer om af te drukken wat vroeger een $ 100 vereiste, 000-printer, " zei Ke. "Deze techniek is schaalbaar, breed aanpasbaar en kan de kosten drastisch verlagen."

Om de slimme inkt te maken, onderzoekers gebruikten een op polymeer gebaseerd "voertuig" dat intelligente moleculaire systemen integreert in printgel en de transformatie van hun functies van de nanosacle naar de macroschaal mogelijk maakt.

Hoewel de meeste materialen gemakkelijk worden uitgehard tijdens het 3D-printproces, het nieuwe proces introduceert een reeks post-printreacties die de actieve ingrediënten aan elkaar binden en de vorm van de moleculaire structuur behouden gedurende het hele printproces.

Het resultaat is een geprint object met een moleculair ontwerp dat is geprogrammeerd om zichzelf te transformeren:als je het voorziet van chemische brandstof, het verandert van vorm. Als je er een licht op laat schijnen, het kan van kleur veranderen.

"Dit hebben we nog nooit eerder gezien. We kunnen niet alleen objecten 3D-printen, we kunnen de moleculen in die objecten vertellen om zichzelf te herschikken op een niveau dat na het afdrukken met het blote oog kan worden bekeken. Deze ontwikkeling zou het grote potentieel kunnen ontketenen voor de ontwikkeling van slimme materialen, ' zei Ke.

Hoewel onderzoekers denken dat de technologie nog ver verwijderd is van intelligente 3D-systemen die hun configuratie dynamisch kunnen veranderen, huidige toepassingen voor de technologie kunnen zijn om precisiefilters en opslagapparaten te printen. Overuren, onderzoekers verwachten dat het proces kan resulteren in een nieuwe klasse van 3D-geprinte objecten op macroschaal die kunnen worden gebruikt om medicijnen toe te dienen of botvervangingen met hoge resolutie te produceren.

Volgens het onderzoeksteam dat bij het onderzoek betrokken is:"Wij geloven dat deze nieuwe aanpak de ontwikkeling van op kleine moleculen gebaseerde 3D-printmaterialen zal initiëren en de ontwikkeling van slimme materialen en apparaten die ons huidige bereik te boven gaan en die in staat zijn om complexe taken uit te voeren, aanzienlijk zal versnellen. reactie op prikkels uit de omgeving."

Op korte termijn, onderzoekers verwachten dat de slimme inkten nuttig zijn voor materiaalchemici, 3D-printingenieurs en anderen die geïnteresseerd zijn in het toepassen van functionele materialen in 3D-printen.