Un nuevo método produce una estructura imprimible que comienza a plegarse tan pronto como se despega de la plataforma de impresión. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Dado que la impresión 3D se ha convertido en una tecnología convencional, Investigadores de la industria y académicos han estado investigando estructuras imprimibles que se pliegan en formas tridimensionales útiles cuando se calientan o sumergen en agua.
En un artículo que aparece en la revista de la American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados , Los investigadores del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL) y sus colegas informan algo nuevo:una estructura imprimible que comienza a plegarse tan pronto como se despega de la plataforma de impresión.
Una de las grandes ventajas de los dispositivos que se pliegan automáticamente sin ningún estímulo externo, los investigadores dicen, es que pueden involucrar una gama más amplia de materiales y estructuras más delicadas.
"Si desea agregar dispositivos electrónicos impresos, por lo general, utilizará algunos materiales orgánicos, porque la mayoría de la electrónica impresa depende de ellos, "dice Subramanian Sundaram, estudiante de posgrado del MIT en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del artículo. "Estos materiales suelen ser muy muy sensible a la humedad y la temperatura. Entonces, si tiene estos componentes electrónicos y piezas, y quieres iniciar pliegues en ellos, no querrías sumergirlos en agua o calentarlos, porque entonces tu electrónica se va a degradar ".
Para ilustrar esta idea, los investigadores construyeron un prototipo de dispositivo auto-plegable e imprimible que incluye cables eléctricos y un "píxel" de polímero que cambia de transparente a opaco cuando se le aplica voltaje. El dispositivo, que es una variación del "insecto dorado imprimible" que Sundaram y sus colegas anunciaron a principios de este año, comienza luciendo algo así como la letra "H" Pero cada una de las patas de la H se pliega en dos direcciones diferentes, produciendo una forma de mesa.
Este clip muestra un ejemplo de plegado acelerado. Crédito:om Buehler / CSAIL
Los investigadores también construyeron varias versiones diferentes del mismo diseño básico de bisagra, que muestran que pueden controlar el ángulo preciso en el que se pliega una articulación. En pruebas, enderezaron a la fuerza las bisagras sujetándolas a un peso, pero cuando se quitó el peso, las bisagras recuperaron sus pliegues originales.
A corto plazo, la técnica podría permitir la fabricación personalizada de sensores, muestra, o antenas cuya funcionalidad depende de su forma tridimensional. A más largo plazo, los investigadores visualizan la posibilidad de robots imprimibles.
Sundaram está acompañado en el papel por su asesor, Wojciech Matusik, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática (EECS) en el MIT; Marc Baldo, también profesor asociado de EECS, que se especializa en electrónica orgánica; David Kim, asistente técnico en el Grupo de Fabricación Computacional de Matusik; y Ryan Hayward, profesor de ciencia e ingeniería de polímeros en la Universidad de Massachusetts en Amherst.
El alivio del estrés
La clave del diseño de los investigadores es un nuevo material de tinta de impresora que se expande después de solidificarse, lo cual es inusual. La mayoría de los materiales de tinta de impresora se contraen ligeramente a medida que se solidifican, una limitación técnica que los diseñadores tienen que solucionar con frecuencia.
Los dispositivos impresos se construyen en capas, y en sus prototipos, los investigadores del MIT depositan su material en expansión en ubicaciones precisas en las capas superior o inferior. La capa inferior se adhiere ligeramente a la plataforma de la impresora, y esa adhesión es suficiente para mantener el dispositivo plano a medida que se acumulan las capas. Pero tan pronto como el dispositivo terminado se despega de la plataforma, las juntas hechas del nuevo material comienzan a expandirse, doblando el dispositivo en la dirección opuesta.
Como muchos avances tecnológicos, El descubrimiento del material por parte de los investigadores de CSAIL fue un accidente. La mayoría de los materiales de impresión utilizados por el Grupo de Fabricación Computacional de Matusik son combinaciones de polímeros, moléculas largas que consisten en repeticiones en cadena de componentes moleculares individuales, o monómeros. La mezcla de estos componentes es un método para crear tintas de impresora con propiedades físicas específicas.
Al intentar desarrollar una tinta que produjera componentes impresos más flexibles, los investigadores de CSAIL sin darse cuenta encontraron uno que se expandió ligeramente después de endurecerse. Inmediatamente reconocieron la utilidad potencial de expandir polímeros y comenzaron a experimentar con modificaciones de la mezcla. hasta que llegaron a una receta que les permitió construir juntas que se expandirían lo suficiente como para doblar un dispositivo impreso por la mitad.
Por qué y para qué
La contribución de Hayward al artículo fue ayudar al equipo del MIT a explicar la expansión del material. La tinta que produce la expansión más contundente incluye varias cadenas moleculares largas y una cadena mucho más corta, compuesto por el monómero acrilato de isooctilo. Cuando una capa de tinta se expone a la luz ultravioleta, o se "cura, "un proceso comúnmente utilizado en la impresión 3D para endurecer los materiales depositados como líquidos:las cadenas largas se conectan entre sí, produciendo un matorral rígido de moléculas enredadas.
Plantas como Jewelweed (Impatiens capensis; o comúnmente, manchado de touch-me-not) utilizan el estrés ingeniosamente para la dispersión balística de sus semillas. La planta almacena energía en sus vainas de semillas en forma de estrés incorporado al controlar la hidratación de los tejidos. Cuando se toca suavemente, estas vainas explotan y se enrollan para lanzar sus semillas. Usando un concepto similar, S. Sundaram y sus colaboradores demuestran el uso de la impresión 3D para fabricar compuestos electrónicos planos con tensión residual en regiones específicas. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Cuando se deposita otra capa del material encima de la primera, las pequeñas cadenas de acrilato de isooctilo en la parte superior, capa de líquido se hunde en la parte inferior, capa más rígida. Allí, interactúan con las cadenas más largas para ejercer una fuerza expansiva, que resiste temporalmente la adherencia a la plataforma de impresión.
Los investigadores esperan que una mejor comprensión teórica del motivo de la expansión del material les permita diseñar material adaptado a aplicaciones específicas, incluidos materiales que resistan la contracción del 1 al 3 por ciento típica de muchos polímeros impresos después del curado.
"Este trabajo es emocionante porque proporciona una forma de crear componentes electrónicos funcionales en objetos 3-D, "dice Michael Dickey, profesor de ingeniería química en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. "Típicamente, el procesamiento electrónico se realiza en un plano, Moda 2-D y, por lo tanto, necesita una superficie plana. El trabajo aquí proporciona una ruta para crear electrónica utilizando técnicas planas más convencionales en una superficie 2-D y luego transformarlas en una forma 3-D, conservando la función de la electrónica. La transformación se produce mediante un ingenioso truco para generar tensión en los materiales durante la impresión ".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
