Nowe podejście do druku 3D oznacza lepsze urządzenia biomedyczne, energetyczne i robotyki

Badacz z Oregon State University pomógł stworzyć nowe podejście do druku 3D w przypadku materiałów zmieniających kształt, które można porównać do mięśni, otwierając drzwi do ulepszonych zastosowań w robotyce, a także urządzeniach biomedycznych i energetycznych.

Struktury ciekłokrystaliczne z elastomerów wydrukowane przez Devina Roacha z OSU College of Engineering i współpracowników mogą się czołgać, składać i zatrzaskiwać bezpośrednio po wydrukowaniu.

„LCE to w zasadzie miękkie silniki” – powiedział Roach, adiunkt inżynierii mechanicznej. „Ponieważ są miękkie, w przeciwieństwie do zwykłych silników, świetnie współpracują z naszymi z natury miękkimi ciałami. Można ich więc używać jako wszczepialnych wyrobów medycznych, na przykład do dostarczania leków w wybrane miejsca, jako stenty do zabiegów w docelowych obszarach lub jako implanty cewki moczowej, które pomagają przy nietrzymaniu moczu.”

Elastomery ciekłokrystaliczne to lekko usieciowane sieci polimerowe, które mogą znacząco zmieniać kształt pod wpływem pewnych bodźców, takich jak ciepło. Można je wykorzystywać do przekształcania energii cieplnej, np. słonecznej lub prądu przemiennego, w energię mechaniczną, którą można magazynować i wykorzystywać na żądanie. LCE mogą również odegrać dużą rolę w dziedzinie robotyki miękkiej, dodał Roach.

„Elastyczne roboty wyposażone w LCE mogłyby eksplorować obszary niebezpieczne lub nienadające się do zwiedzania przez ludzi” – powiedział. „Wykazano również, iż są one obiecujące w lotnictwie i kosmonautyce jako siłowniki w zautomatyzowanych systemach, takich jak te do chwytania w głębokim kosmosie, rozmieszczania radarów lub eksploracji pozaziemskiej”.

U podstaw użyteczności funkcjonalnej ciekłokrystalicznych elastomerów leży ich połączenie anizotropii i lepkosprężystości, powiedział Roach.

Anizotropia odnosi się do adekwatności zależnej od kierunku, na przykład tego, jak drewno jest mocniejsze wzdłuż włókien niż w poprzek, a materiały lepkosprężyste są zarówno lepkie – jak miód, który opiera się przepływowi i powoli odkształca się pod naprężeniem – jak i elastyczne, powracające do swoich adekwatności. oryginalny kształt po usunięciu naprężenia, jak guma. Materiały lepkosprężyste powoli odkształcają się i stopniowo regenerują.

Właściwości zmieniające kształt elastomerów ciekłokrystalicznych zależą od ułożenia cząsteczek w materiałach. Roach i współpracownicy z Harvard University, University of Colorado oraz krajowych laboratoriów Sandia i Lawrence Livermore odkryli sposób na wyrównanie cząsteczek dzięki pola magnetycznego podczas rodzaju druku 3D zwanego cyfrowym przetwarzaniem światła.

Druk 3D, znany również jako produkcja przyrostowa, umożliwia tworzenie obiektów jedna warstwa na raz. W cyfrowej obróbce światła światło służy do precyzyjnego utwardzania płynnej żywicy w stałe kształty. Jednak wyrównanie cząsteczek elastomerów może być wyzwaniem.

„Dopasowanie cząsteczek jest kluczem do uwolnienia pełnego potencjału LCE i umożliwienia ich wykorzystania w zaawansowanych, funkcjonalnych zastosowaniach” – powiedział Roach.

Roach i inni badacze różnicowali siłę pola magnetycznego i badali, w jaki sposób ono i inne czynniki, takie jak grubość każdej drukowanej warstwy, wpływają na wyrównanie cząsteczek. Umożliwiło im to drukowanie skomplikowanych kształtów ciekłokrystalicznych elastomerów, które zmieniają się w określony sposób pod wpływem ogrzewania.

„Nasza praca otwiera nowe możliwości tworzenia zaawansowanych materiałów, które reagują na bodźce w użyteczny sposób, co potencjalnie prowadzi do innowacji w wielu dziedzinach” – powiedział Roach.

Badanie, które opublikowano w Advanced Materials, wspierały Narodowa Fundacja Nauki i Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych.

W powiązanych badaniach opublikowanych w Advanced Engineering Materials Roach kierował zespołem studentów i współpracowników stanu Oregon z Sandia, Lawrence Livermore i Navajo Technical University, badając potencjał tłumienia mechanicznego elastomerów ciekłokrystalicznych.

Tłumienie mechaniczne odnosi się do zmniejszania lub rozpraszania energii drgań lub oscylacji w układach mechanicznych, w tym w amortyzatorach samochodowych, amortyzatorach sejsmicznych, które pomagają chronić budynki przed trzęsieniami ziemi oraz tłumikach drgań na mostach, które minimalizują oscylacje powodowane przez wiatr lub pojazdy silnikowe.

Studenci OSU Adam Bischoff, Carter Bawcutt i Maksim Sorkin oraz inni badacze wykazali, iż metoda wytwarzania znana jako druk 3D z bezpośrednim zapisem atramentowym może wytworzyć mechaniczne urządzenia tłumiące, które skutecznie rozpraszają energię w szerokim zakresie szybkości ładowania.