Een onderzoeksteam van de City University of Hong Kong (CityU) heeft een baanbrekende vooruitgang geboekt in materiaalonderzoek door met succes 's werelds eerste 4D-printing voor keramiek te ontwikkelen, die mechanisch robuust zijn en complexe vormen kunnen hebben. Dit zou een nieuwe bladzijde kunnen omslaan in de structurele toepassing van keramiek.

Keramiek heeft een hoog smeltpunt, dus het is moeilijk om conventioneel laserprinten te gebruiken om keramiek te maken. De bestaande 3D-geprinte keramische voorlopers, die meestal moeilijk te vervormen zijn, belemmeren ook de productie van keramiek met complexe vormen. Om deze uitdagingen te overwinnen, heeft het CityU-team een ​​nieuwe "keramische inkt, " wat een mengsel is van polymeren en keramische nanodeeltjes. De 3D-geprinte keramische voorlopers die met deze nieuwe inkt zijn bedrukt, zijn zacht en kunnen drie keer langer worden uitgerekt dan hun oorspronkelijke lengte. Deze flexibele en rekbare keramische voorlopers maken complexe vormen mogelijk, zoals origami vouwen. Met de juiste warmtebehandeling, keramiek met complexe vormen kan worden gemaakt.

Het team werd geleid door professor Lu Jian, leerstoelhoogleraar werktuigbouwkunde, die een vooraanstaande materiaalwetenschapper is met onderzoeksinteresses variërend van het fabriceren van nanomaterialen en geavanceerde structurele materialen tot de computationele simulatie van oppervlaktetechniek. Met de ontwikkeling van de elastische voorlopers, het onderzoeksteam heeft nog een doorbraak bereikt door twee methoden te ontwikkelen voor het 4D-printen van keramiek.

4D-printen is conventioneel 3D-printen gecombineerd met het extra element tijd als de vierde dimensie, waar de geprinte objecten zichzelf in de loop van de tijd kunnen hervormen of zichzelf kunnen assembleren met externe stimuli, zoals mechanische kracht, temperatuur, of een magnetisch veld. In dit onderzoek, het team maakte gebruik van de elastische energie die is opgeslagen in de uitgerekte voorlopers voor vormverandering. Wanneer de uitgerekte keramische voorlopers worden vrijgegeven, ze ondergaan zelfhervorming. Na warmtebehandeling, de voorlopers veranderen in keramiek.

De resulterende van elastomeer afgeleide keramiek is mechanisch robuust. Ze kunnen een hoge druksterkte-dichtheidsverhouding hebben (547 MPa op 1,6 g cm-3 microrooster), en ze kunnen worden geleverd in grote maten met een hoge sterkte in vergelijking met ander gedrukt keramiek.

"Het hele proces klinkt eenvoudig, maar dat is het niet, " zei professor Lu. "Van het maken van de inkt tot het ontwikkelen van het printsysteem, we probeerden vele malen en verschillende methoden. Als kers op een taart knijpen, er zijn veel factoren die het resultaat kunnen beïnvloeden, variërend van het soort crème en de grootte van de spuitmond, aan de snelheid en kracht van knijpen, en de temperatuur."

Het kostte het team meer dan twee en een half jaar om de beperkingen van de bestaande materialen te overwinnen en het hele 4-D keramische printsysteem te ontwikkelen.

Bij de eerste vormmethode een 3D-geprinte keramische voorloper en substraat werden eerst bedrukt met de nieuwe inkt. Het substraat werd uitgerekt met behulp van een biaxiaal rekapparaat, en verbindingen voor het verbinden van de voorloper werden erop gedrukt. De voorloper werd vervolgens op het uitgerekte substraat geplaatst. Met de computergeprogrammeerde controle van de tijd en het loslaten van het uitgerekte substraat, de materialen veranderden in de ontworpen vorm.

Bij de tweede methode het ontworpen patroon werd direct op de uitgerekte keramische voorloper gedrukt. Het werd vervolgens vrijgegeven onder computerprogrammering en onderging het zelf-morphing-proces.

De innovatie is gepubliceerd in het laatste nummer van het wetenschappelijke toptijdschrift Wetenschappelijke vooruitgang onder de titel "Origami en 4D-printen van van elastomeer afgeleide keramische structuren." Alle leden van het onderzoeksteam zijn van CityU, inclusief Dr. Liu Guo, Onderzoeksassistent, Dr. Zhao Yan, senior onderzoeksmedewerker, en Dr. Wu Ge, onderzoekscollega.

"Met het veelzijdige vormveranderende vermogen van de gedrukte keramische voorlopers, de toepassing ervan kan enorm zijn, " zei professor Lu. Een veelbelovende toepassing is elektronica. Keramische materialen presteren veel beter bij het overbrengen van elektromagnetische signalen dan metalen materialen. Met de komst van 5G-netwerken, keramische producten zullen een belangrijkere rol spelen bij de vervaardiging van elektronische producten. De artistieke aard van keramiek en hun vermogen om complexe vormen te vormen, bieden consumenten ook de mogelijkheid om op maat gemaakte keramische achterplaten voor mobiele telefoons te maken.

Verder, deze innovatie kan worden toegepast in de luchtvaart en ruimteverkenning. "Omdat keramiek een mechanisch robuust materiaal is dat hoge temperaturen kan verdragen, het 4D-geprinte keramiek heeft een groot potentieel om te worden gebruikt als voortstuwingscomponent in de ruimtevaart, ’ zei prof Lu.

Meerijden op de doorbraak in de vooruitgang van materiaal en 4D-printtechniek, Prof Lu zei dat de volgende stap is om de mechanische eigenschappen van het materiaal te verbeteren, zoals het verminderen van de broosheid.