Van maanlandingen tot mobiele telefoons, veel van de vergezochte visies van science fiction zijn omgezet in realiteit. In het laatste voorbeeld van deze trend, wetenschappers melden dat ze een krachtige printer hebben ontwikkeld die de creatie van zelfassemblerende structuren kan stroomlijnen die van vorm kunnen veranderen nadat ze zijn blootgesteld aan hitte en andere stimuli. Ze zeggen dat deze unieke technologie het gebruik van 4D-printen in de ruimtevaart zou kunnen versnellen, geneeskunde en andere industrieën.

De onderzoekers presenteren hun werk vandaag op de 255e National Meeting &Exposition van de American Chemical Society (ACS).

"We staan ​​aan de vooravond van het creëren van een nieuwe generatie apparaten die de praktische toepassingen voor 3D- en 4D-printen enorm kunnen uitbreiden, "H. Jerry Qi, doctoraat, zegt. "Onze prototypeprinter integreert veel functies die de processen die worden gebruikt bij traditioneel 3D-printen lijken te vereenvoudigen en te versnellen. we kunnen verschillende materialen gebruiken om tegelijkertijd harde en zachte componenten te maken, neem geleidende bedrading direct op in vormveranderende structuren, en uiteindelijk de weg geëffend voor de ontwikkeling van een groot aantal 4D-producten die onze wereld zouden kunnen hervormen."

4D-printen is een opkomende technologie waarmee 3D-geprinte componenten hun vorm kunnen veranderen in de loop van de tijd na blootstelling aan hitte, licht, vochtigheid en andere omgevingsfactoren. Echter, 4D-printen blijft een uitdaging, gedeeltelijk omdat het vaak complexe en tijdrovende nabewerkingsstappen vereist om elk onderdeel mechanisch te programmeren. In aanvulling, veel commerciële drukkers kunnen alleen 4-D-structuren printen die uit één materiaal zijn samengesteld.

Vorig jaar, Qi en zijn collega's van het Georgia Institute of Technology, in samenwerking met wetenschappers van de Singapore University of Technology and Design, gebruikte een composiet gemaakt van een acryl en een epoxy samen met een commerciële printer en een warmtebron om 4D-objecten te maken, zoals een bloem die zijn bloembladen kan sluiten of een ster die verandert in een koepel. Deze objecten transformeerden tot 90 procent sneller van vorm dan voorheen mogelijk was, omdat de wetenschappers de vervelende mechanische programmeerstappen rechtstreeks in het 3D-printproces hebben opgenomen. Voortbouwend op dit werk, de onderzoekers probeerden een alles-in-één printer te ontwikkelen om andere 4D-printuitdagingen aan te pakken en de technologie dichter bij praktische toepassing te brengen.

De machine die ze uiteindelijk bedachten, combineert vier verschillende printtechnieken, inclusief spuitbus, inkjet, directe inkt schrijven en fused deposition modellering. Het kan een groot aantal stijve en elastische materialen aan, waaronder hydrogels, op zilveren nanodeeltjes gebaseerde geleidende inkten, vloeibare kristalelastomeren en polymeren met vormgeheugen, of SMP's. KMO's, welke de meest voorkomende stoffen zijn die worden gebruikt bij 4D-printen, kan worden geprogrammeerd om een ​​vorm te "onthouden" en er vervolgens in te transformeren wanneer deze wordt verwarmd. Met deze nieuwe technologie, de onderzoekers kunnen SMP's van hogere kwaliteit afdrukken die in staat zijn om meer ingewikkelde vormveranderingen aan te brengen dan in het verleden, opent de deur voor een veelvoud aan functionele 4D-toepassingen en ontwerpen.

De onderzoekers kunnen de printer ook gebruiken om een ​​reeks witte, grijze of zwarte tinten van licht om een ​​component te vormen en uit te harden tot een vaste stof. Deze grijswaardenverlichting veroorzaakt een verknopingsreactie die het gedrag van de component kan veranderen, afhankelijk van de grijsschaal die erop scheen. Dus, bijvoorbeeld, een helderdere lichte tint creëert een deel dat harder is, terwijl een donkerdere tint een zachter deel produceert. Als resultaat, deze componenten kunnen anders buigen of uitrekken dan andere delen van de 4-D-structuur eromheen.

De printer kan zelfs elektrische bedrading maken die direct op een antenne kan worden afgedrukt, sensor of ander elektrisch apparaat. Het proces is gebaseerd op een directe-inkt-schrijfmethode om een ​​lijn zilveren nanodeeltjesinkt te produceren. Een fotonische uithardingseenheid droogt en voegt de nanodeeltjes samen om geleidende draad te vormen. Vervolgens, de inkjetcomponent van de printer vormt de plastic coating die de draad omhult.

Momenteel, Qi's team werkt ook samen met Children's Healthcare van Atlanta om te bepalen of deze nieuwe technologie prothetische handen kan printen voor kinderen geboren met misvormde armen.

"Slechts een kleine groep kinderen heeft deze aandoening, dus er is niet veel commercieel belang bij en de meeste verzekeringen dekken de kosten niet, " zegt Qi. "Maar deze kinderen hebben veel uitdagingen in hun dagelijks leven, en we hopen dat onze nieuwe 4D-printer hen zal helpen een aantal van deze problemen te overwinnen."