Driedimensionaal (3D) printen of additive manufacturing (AM) is een populaire techniek die momenteel enorm veel aandacht heeft getrokken als een veelbelovende methode om een ​​revolutie teweeg te brengen in ontwerp en fabricage. Onderzoekers hebben hun toepassingen uitgebreid van rapid prototyping tot tissue engineering, elektronische apparaten, zachte robotica en hoogwaardige metamaterialen, maar de meeste 3D-printtechnieken gebruiken slechts een enkel materiaal om onderdelen te printen of componenten te vormen met behulp van meerdere discrete eigenschappen met complexe mechanische gradiënten die niet samenhangend kunnen worden gecontroleerd.

Ter vergelijking, de meeste natuurlijke structuren zoals vissenschubben en pees-tot-been zijn gemaakt van een verscheidenheid aan materialen met duidelijk verschillende eigenschappen die samen functioneren. Als een alternatief, Functional Graded Materials (FGM) hebben veel recente onderzoeksinteresse getrokken om de mechanische robuustheid en vloeitolerantie van substraten te verbeteren. Dit maakt FGM 3D-printen met breed afstembare printeigenschappen in één enkel proces mogelijk, die steeds belangrijker wordt in de materiaalkunde.

In een recente studie, nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Xiao Kuang en collega's van de interdisciplinaire afdelingen Werktuigbouwkunde, Nanobiomechanica en geavanceerde structuurtechnologie in China en Canada presenteerden een 3D-printmethode met één vat grijswaarden digitale verwerking (gDLP). In productie, ze gebruikten lichtpatronen in grijstinten en een uithardende inkt in twee fasen om functioneel gesorteerde materialen (FGM's) te verkrijgen met een hoge resolutie en mechanische gradiënten tot drie ordes van grootte. Om de methode te demonstreren, ze ontwikkelden complexe 2D- en 3D-roosters met gecontroleerde knik- en vervormingssequenties, metamaterialen met een negatieve Poisson-ratio, preoperatieve modellen met variërende stijfheid, composieten voor 4D-printen en een methode om namaak 3D-printen tegen te gaan.

3D-printtechnieken in één oogopslag

Voor geavanceerde 3D-printtoepassingen, onderzoekers hadden de PolyJet-methode gedemonstreerd met meerdere inkjetprintkoppen om tegelijkertijd verschillende materialen op het printbed te deponeren. Echter, de methode had enkele opmerkelijke nadelen, waaronder hoge apparatuurkosten, strenge harsvereisten, beperkte materiaalkeuzes en een relatief lage resolutie multimateriaal printmodus.

Onderzoekers hebben daarom veel andere 3D-printmethoden gevolgd, waaronder fabricage van gesmolten filamenten en direct schrijven met inkt, hoewel deze technieken niet verder werden nagestreefd vanwege de lage afdruksnelheden. Toen ze digitale lichtverwerking (DLP) op basis van digitale microspiegelapparaten (DMD's) gebruikten als een snelle, AM-benadering met hoge resolutie, de polymeerharsen hardden abrupt uit en waren in vergelijking te snel. Terwijl methoden in het verleden een beperkte capaciteit vertoonden om praktisch functionele materialen met afstembare eigenschappen te vervaardigen. In een meer recente techniek, wetenschappers ontwikkelden continuous liquid interface production (CLIP) als een echte doorbraak om de snelste 3D-printtechnologie aan te bieden die dicht bij het productieniveau ligt; ook relevant voor het huidige werk.

Introductie van g-DLP (grijswaarden digitaal licht printen) om digitale materialen te ontwikkelen

In het huidige werk, Kuang et al. ontwikkelde een nieuwe, tweetraps uithardend hybride inktsysteem in een enkel vat om grijswaarden digital light processing (g-DLP) 3D-printen te bereiken. Ze synthetiseerden de hybride inkt met behulp van bisfenol A-ethoxylaatdiacrylaat (BPADA), glycidylmethacrylaat (GMA), een diamine-crosslinker, n-butylacrylaat (BA), foto-initiatoren en fotoabsorbers. In de proefopstelling is ze gebruikten monochromatische lichtintensiteitsinstellingen om de hars laag voor laag uit te harden, analoog aan de CLIP-techniek.

Voor deze, ze gebruikten een zuurstofdoorlatend membraan om het uitgeharde gedeelte van het venster te scheiden voor sneller afdrukken. De wetenschappers sneden de ontworpen structuur eerst in afbeeldingen die overeenkomen met individuele afdruklagen, gevolgd door het verwerken van elke afbeelding met een MATLAB-code om de grijsschaalverdeling met de gewenste eigenschappen te genereren. Vervolgens gaven ze de afbeeldingen van afzonderlijke lagen met grijswaardenpatronen door aan de UV-projector om af te drukken.

Tijdens de experimenten induceerden ze op radicalen gebaseerde fotopolymerisatie om het polymeernetwerk en de gedrukte structuur te vormen, en toonde aan dat de verknopingsdichtheid en modulus van het materiaal afnam met een verhoogd grijsschaalpercentage. In productie, het GMA-monomeer en de diamine-crosslinker speelden een cruciale rol in het thermische uithardingsproces en bepaalden de effecten van grijsschaalfotopolymerisatie van de hybride inkt.

Kuang et al. toonde de niet-lineaire afhankelijkheid van de methode van lichtintensiteit en ontwikkelde reactiekinetische modellen om tijdsafhankelijke lichtbehandeling te onderzoeken. De wetenschappers voorkwamen op lichtlekkage gebaseerde resolutiereductie in de opstelling door de software aan te passen met behulp van een optisch systeem met kleinere vergroting, of via een verhoogd gehalte aan fotoabsorbers om de resolutie van gedrukte materialen te verbeteren.

Ze volgden de evolutie van de chemische structuur tijdens fotocuratie met Fourier Transform Infrared Spectroscopie (FTIR) en testten de mechanische en thermomechanische eigenschappen van de materialen. Kuang et al. omvatte tests op de Young's modulus en glasovergangstemperatuur (Tg) als functies van het grijsschaalpercentage om het nieuwe materiaal te karakteriseren. Omdat de methode de mogelijkheid bood om digitale materialen te creëren door de grijswaarden te beheersen, de wetenschappers volgden de eerste experimenten door voorbeelden van eenvoudige geometrie met graduele eigenschappen af ​​te drukken.

Ze gebruikten ook eindige-elementenmodellering (FEM) -simulaties om de gegradeerde eigenschappen en vervormingssnelheden van de architecturen te voorspellen om een ​​continu gradiëntpatroon mogelijk te maken. Hierdoor konden Kuang et al. om een ​​continu gesorteerd materiaal te vervaardigen dat buigt met continu veranderende kromming bij toepassing van een puntbelasting. De wetenschappers toonden aan dat de experimentele resultaten overeenkwamen met de simulatie over eenpuntsbuiggedrag.

De wetenschappers gebruikten vervolgens g-DLP om het ontwerp en de fabricage van rooster- en cellulaire structuren in het onderzoek te onderzoeken. Hiervoor hebben ze eerst een 2D-rasterarchitectuurmatrix geprint met een grijswaardenpatroon van een driehoekig gebied en een lege ruimte eronder. Tijdens compressiestudies trad de vervorming alleen op in het driehoekige gebied met zacht materiaal, waar de ruimte onder de driehoekige band niet vervormde om een ​​schild te vormen dat materiaal onder dit gebied beschermde. De wetenschappers toonden aan dat zo'n gecontroleerd knikken het energieabsorptievermogen zou kunnen verbeteren - geverifieerd met behulp van de stabiele spanningsval in de bijbehorende spanning-rekcurve. Zoals eerder, de FEM-simulatie voorspelde nauwkeurig de experimentele resultaten.

Kuang et al. ontwierp vervolgens een 3D-roosterarchitectuur, waarbij ze elke laag een andere grijsschaalwaarde toekenden om een ​​schone, bedrukt rooster met hoge resolutie. De architectuur van het 3D-rooster vertoonde sequentieel vervormingsgedrag - met toepassingen in energieabsorptie. De wetenschappers kunnen de gegradeerde materiaaleigenschappen van de g-DLP-druktechniek benutten om pre-chirurgische modellen te vervaardigen.

Bijvoorbeeld, met behulp van de methode die ze weefselachtige structuren printten met bio-geïnspireerde mimiek om bot te creëren (met grijswaarden G ₀ ), zachte spier (G ₈₅ ) en huid (G ₇₀ ) structuren. Ze waren ook in staat om een ​​kleinschalige kunstmatige ledemaatstructuur te ontwerpen met zachte spieren (G ₈₅ ) en hard bot (G ₀ ), die werd afgedrukt met behulp van de g-DLP-methode. Kuang et al. stellen voor om de techniek te gebruiken om aangepaste architecturen te ontwikkelen met patiëntspecifieke fysieke eigenschappen om pre-chirurgische modellen te vormen in tissue engineering voor regeneratieve geneeskunde.

Het met g-DLP bedrukte materiaal kan worden geprogrammeerd of afgestemd over een temperatuurbereik (T _G ) vanaf 14 ⁰ C tot 68 ⁰ C voor gebruik als vormgeheugenpolymeer (SMP), die aandrijving vertoonden bij verschillende temperaturen. Om dit aan te tonen, ze ontwierpen een spiraalvormig patroon, die bij verhitting tot 60 ⁰ C geopend om een ​​rechte lijn te vormen, gevolgd door afkoeling in ijs om terug te keren naar de oorspronkelijke conformatie. Echter, als de spiraalvormige structuren met dezelfde grijsschaal (G20) zijn afgedrukt, alle scharnieren kregen hun vorm tegelijk terug met dezelfde snelheid, zij het zonder vormherstel naar de oorspronkelijke architectuur. De wetenschappers onderzochten vervolgens de toepassingen van dergelijke SMP's door een robotarm te ontwikkelen.

Omdat de gesorteerde materialen verschillende moduli en T . hadden _G , dit leidde tot verschillende diffusiviteit in het experimentele systeem. De wetenschappers konden daarom de diverse grijsschaalpatronen bekijken met een verscheidenheid aan kleurstoffen. Kuang et al. stellen voor om fluoresceïnekleuring te gebruiken voor encryptie- en anti-namaaktoepassingen. Bijvoorbeeld, toen de wetenschappers een QR-code (quick response) in een film opnamen met behulp van grijswaardenpatronen voor afdrukken, gevolgd door fluoresceïnebehandeling, het patroon werd pas zichtbaar onder UV-licht en onzichtbaar onder zichtbaar licht. Verder, wanneer Kuang et al. een QR-code heeft afgedrukt als een grijswaardenpatroon en deze heeft gescand met een smartphone, de wetenschappers konden rechtstreeks linken naar de informatie of site die via internet was gecodeerd, het voorkomen van namaak 3D-producten.

Op deze manier, Kuang et al. ontwikkelde een g-DLP 3D-printtechniek via uitharding in twee fasen om digitale productie met hoge resolutie te bereiken met complexe vormen en programmeerbare functionele gradiënten. De wetenschappers willen de bestanddelen in het materiaal optimaliseren voor extra printtoepassingen. Ze waren in staat om direct complexe 2D/3-D roosters te ontwikkelen, metamaterialen, 4D-printen met vormgeheugenpolymeren en anti-namaaktechnieken produceren die in het 3D-materiaal zelf zijn ingebouwd. De wetenschappers streven ernaar de nieuwe g-DLP-methode verder te verbeteren om materialen voor toekomstige toepassingen te engineeren, inclusief 4D-printen metamaterialen, biomimetische prechirurgische modellen, zachte robotica en additieve fabricage met diepgewortelde cyberbeveiliging.

© 2019 Wetenschap X Netwerk