Исследователи из Дартмутского колледжа в Нью-Гэмпшире разработали новый процесс, который использует тепло для управления расположением молекулярных колец в гелях для 3D-печати, что позволяет им печатать объекты с разной механической прочностью с помощью одного вида чернил.
Этот процесс, называемый «кинетическим захватом», использует молекулярные стопоры, называемые исследователями «лежачими полицейскими», для изменения распределения молекулярных колец в чернилах для создания гелей для 3D-печати, которые могут складываться, скатываться или сохранять свою форму при активации во влажной среде.
По мнению исследовательской группы, их метод может проложить путь к печати «быстродействующих исполнительных механизмов» и мягких роботов с использованием устойчивых источников энергии, таких как изменение влажности, которые в будущем могут быть использованы для медицинских устройств или промышленных процессов.
«Этот новый метод использует тепло для производства и контроля трехмерных чернил с различными свойствами», - сказал Ченфэн Кэ, доцент химии и старший научный сотрудник исследования. «Это процесс, который может упростить и удешевить 3D-печать сложных объектов».
Новый процесс был разработан группой Ke Functional Materials Group Дартмутского колледжа, которая занимается разработкой интеллектуальных материалов для приложений 3D- и 4D-печати. Они описывают «кинетический захват» как процесс, который использует тепло для изменения расположения и количества молекулярных колец в химической цепи.
В химии «кольцо» относится к циклу атомов и связей внутри молекулы. Используя молекулярные стопоры - или «лежачие полицейские» - исследователи смогли регулировать количество колец, составляющих полимерную цепь, и контролировать их распределение с помощью тепла. Когда кольца собираются в кучу, они накапливают кинетическую энергию, которая может быть высвобождена, как при отпускании сжатой пружины.
Молекулярные лежачие полицейские, используемые в процессе, создают чернила, которые со временем изменяют распределение молекулярных колец и превращают материал из порошка в гель для 3D-печати. Затем влага используется для активации различных форм в объекте, напечатанном на 3D-принтере.
Материалы, используемые командой Дартмута, состоят из молекулярных структур, состоящих из циклодекстрина и полиэтиленгликоля, которые часто используются в качестве пищевых добавок и смягчителей стула. Исследователи получили доступ к энергосберегающим «метастабильным» состояниям этих структур, установив «лежачие полицейские» на полиэтиленгликоль, превратив 3D-печатные объекты в исполнительные механизмы, которые изменяют свою форму в ответ на влагу.
«Этот метод позволяет нам использовать температуру для создания сложных форм и заставлять их действовать при разных уровнях влажности», - сказал Цяньмин Линь, первый автор исследования.
По словам исследователей, большинство обычных чернил для 3D-печати имеют однородный молекулярный состав, который позволяет печатать объекты с одним свойством, таким как жесткость или эластичность. Таким образом, для печати объекта с несколькими свойствами необходимо подготовить разные чернила и скомпоновать их для совместной работы, что является трудоемким и энергоемким процессом.
Чтобы устранить эти недостатки, исследователи разработали «кинетический захват» для производства 3D-печатных объектов, которые становятся исполнительными механизмами, способными реагировать на влагу и изменять форму.
Чтобы продемонстрировать свое исследование, команда 3D напечатала цветок с помощью чернил, полученных с помощью кинетической ловушки. Было обнаружено, что разные части цветка обладают разным уровнем гибкости из-за различного расположения молекулярных колец. Созданная впоследствии смесь свойств позволила мягким «лепесткам» цветка закрываться, когда они подвергались воздействию влаги, в то время как более твердые части цветка обеспечивали структуру.
«Различные части этого объекта были нанесены одной и той же печатной краской», - объяснил Кэ. «У них похожий химический состав, но разное количество молекулярных колец и разное распределение. Эти различия придают продуктам совершенно разную механическую прочность и заставляют их по-разному реагировать на влагу».
В дальнейшем исследовательская группа будет стремиться усовершенствовать процесс «кинетического захвата», чтобы обеспечить точный контроль нескольких метастабильных состояний. Они надеются, что это позволит печатать быстродействующие приводы и мягких роботов, которые реагируют на колебания влажности и другие устойчивые источники энергии.
По словам команды, полученные в результате 3D-печатные объекты могут быть использованы для медицинских устройств или в промышленных процессах в будущем.
Более подробную информацию об исследовании можно найти в статье под названием «Кинетическое улавливание пригодных для 3D-печати поли (псевдо) рокстаксановых сетей на основе циклодекстрина», опубликованной в журнале Chem.
Область мягкой робототехники и исполнительных механизмов аддитивного производства хорошо изучена, и постоянно появляются новые разработки. Производство изменяющих форму материалов в ответ на внешние раздражители, такие как время или температура, часто называют 4D-печатью, и в последние годы к ней растет интерес.
Например, группа исследователей из Университета Линчёпинга в Швеции разработала набор микроактуаторов для мягкой микробототехники. Приводы содержали электрически активный полимер, который менял форму в присутствии электрического заряда, предоставляя им возможности 4D.
В другом месте ученые из Университета Ямагата разработали полностью напечатанный на 3D-принтере привод, который может стать основой мягкого робота, похожего на медузу, для приложений мониторинга морской дикой природы, а исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего открыли новый метод 3D-печати жидкокристаллических эластомеров, который позволяет функционально градуировать свойства, варьируя параметры тепловой печати во время и после печати. Полученный в результате приводной материал имеет потенциальное применение в мягкой робототехнике и искусственных мышцах.
Тем временем исследователи из Университета Райса в Техасе работают над новым методом, позволяющим усилить контроль над изменяющими форму материалами в 4D-печати, который позволяет 3D-печатным объектам принимать альтернативные формы при воздействии изменений температуры, электрического тока или напряжения.