Een nieuwe 3D-printmethode zal het gemakkelijker maken om de vorm van zachte robots te vervaardigen en te controleren, kunstmatige spieren en draagbare apparaten. Onderzoekers van UC San Diego laten zien dat door het regelen van de printtemperatuur van vloeibaar kristal elastomeer, of LCE, ze kunnen de mate van stijfheid en het vermogen om samen te trekken van het materiaal regelen, ook bekend als de mate van activering. Bovendien, ze zijn in staat om de stijfheid van verschillende gebieden in hetzelfde materiaal te veranderen door het bloot te stellen aan hitte.

Als proof-of-concept, de onderzoekers 3D-geprint in een enkele print, met een enkele inkt, constructies waarvan de stijfheid en bediening varieert in grootteorde, van nul tot 30 procent. Bijvoorbeeld, een gebied van de LCE-structuur kan samentrekken als spieren; en een ander kan flexibel zijn, zoals pezen. De doorbraak was mogelijk omdat het team LCE nauwkeurig bestudeerde om de materiaaleigenschappen ervan beter te begrijpen.

Het team, geleid door Shengqiang Cai, een professor in de afdeling Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, details van hun werk in het nummer van 25 september van wetenschappelijke vooruitgang .

Onderzoekers werden geïnspireerd om dit materiaal met verschillende gradaties van activering te maken door voorbeelden in de biologie en de natuur. Naast de combinatie van spieren en pezen, onderzoekers namen aanwijzingen van de snavel van de inktvis, die extreem stijf is aan de punt, maar veel zachter en kneedbaar is waar hij is verbonden met de mond van de inktvis.

"3D-printen is een geweldig hulpmiddel om zoveel verschillende dingen te maken - en het is nog beter nu we structuren kunnen printen die naar wens kunnen samentrekken en verstijven onder bepaalde stimuli, in dit geval, warmte, " zei Zijun Wang, de eerste auteur van het papier en een Ph.D. student in Cai's onderzoeksgroep.

Materiaaleigenschappen begrijpen

Om te begrijpen hoe u de materiaaleigenschappen van LCE kunt afstemmen, onderzoekers bestudeerden het materiaal eerst heel nauwkeurig. Ze hebben vastgesteld dat geprint LCE-filament is gemaakt van een schaal en een kern. Terwijl de schaal na het printen snel afkoelt, stijver worden, de kern koelt langzamer af, kneedbaarder blijven.

Als resultaat, onderzoekers konden bepalen hoe verschillende parameters in het drukproces konden worden gevarieerd, vooral temperatuur, om de mechanische eigenschappen van LCE af te stemmen. In een notendop, hoe hoger de afdruktemperatuur, hoe flexibeler en kneedbaarder het materiaal. Terwijl de voorbereiding van de LCE-inkt enkele dagen duurt, de daadwerkelijke 3D-print kan in slechts 1 tot 2 uur worden gedaan, afhankelijk van de geometrie van de structuur die wordt afgedrukt.

"Op basis van de relatie tussen de eigenschappen van LCE-filament en printparameters, het is gemakkelijk om constructies te bouwen met gegradeerde materiaaleigenschappen, ' zei Cai.

Variërende temperatuur tot 3D-printstructuren

Bijvoorbeeld, onderzoekers printten een LCE-schijf bij 40 graden C (104 F) en verwarmden deze tot 90 graden C (194 F) in heet water. De schijf vervormd tot een conische vorm. Maar een LCE-schijf die is samengesteld uit gebieden die bij verschillende temperaturen zijn afgedrukt (40, dan 80 dan 120 graden Celsius, bijvoorbeeld), bij verhitting in een geheel andere vorm vervormd.

Onderzoekers hebben ook 3D-geprinte structuren gemaakt van twee lagen LCE met verschillende eigenschappen en toonden aan dat dit het materiaal nog meer vrijheidsgraden gaf om te bedienen. Onderzoekers printten ook roosterstructuren met het materiaal, die in medische toepassingen kunnen worden gebruikt.

Eindelijk, als proof-of-concept, het team 3D printte een LCE-buis die ze hadden afgesteld tijdens 3D-printen en toonde aan dat deze veel langer aan een stijve glasplaat kon blijven kleven bij bediening bij hoge temperaturen, ongeveer 94 C (201 F), dan een gewone LCE-buis met homogene eigenschappen. Dit zou kunnen leiden tot de fabricage van betere robotvoeten en grijpers.

De activering van het materiaal kan niet alleen in heet water worden geactiveerd, maar ook door LCE te infuseren met warmtegevoelige deeltjes of deeltjes die licht absorberen en omzetten in warmte - alles van zwarte inktpoeder tot grafeen. Een ander mechanisme zou zijn om de structuren in 3D te printen met elektrische draden die warmte genereren die is ingebed in LCE.

De volgende stappen zijn onder meer het vinden van een manier om de eigenschappen van het materiaal nauwkeuriger en efficiënter af te stemmen. Onderzoekers werken ook aan het aanpassen van de inkt, zodat de afgedrukte structuren zelfherstelbaar kunnen zijn. herprogrammeerbaar, en recyclebaar.