El método de impresión 4D en escala de grises a1) esquemas del método con procesamiento de luz digital (DLP), a2) patrón de escala de grises representativo para la impresión, a3) esquemas de una estructura impresa con diferente densidad de reticulación, a4) la estructura doblada después de la desolvatación en agua, a5) la estructura se puede recuperar en acetona, b) un diseño de ejemplo de una estructura de impresión en escala de grises, c) variabilidad de la deformación por flexión con diferentes valores de escala de grises. Crédito: Materiales multifuncionales , doi:10.1088 / 2399-7532 / aac322
El cambio de forma reversible es una propiedad muy deseable para muchas aplicaciones biomédicas, incluyendo actuadores mecánicos, robótica blanda y músculos artificiales. Algunos materiales pueden cambiar de tamaño o forma cuando se irradian con luz, desencadenando deformaciones mecánicas sin contacto directo ofreciendo perspectivas de control remoto. Para diseñar reversible, Estructuras de cambio de forma (RSC):materiales activos que responden a estímulos externos como la luz, Los campos de calor o eléctricos se utilizan junto con otros materiales no activos. Aunque la impresión 3-D avanzada de múltiples materiales ha permitido el diseño y la fabricación de estructuras RSC, solo se pueden imprimir materiales específicos, restringir el uso amplio.
Como alternativa, Recientemente se presentó un método más simple utilizando el 'patrón de escala de grises' para controlar la distribución de la intensidad de la luz de un patrón proyectado en fotopolímeros o resinas activadas por luz e inducir la reticulación para crear reversible, Estructuras de origami 2-D auto-plegables y desplegables. Las diferentes intensidades de luz dieron como resultado diferentes densidades de reticulación dentro de las láminas de polímero fotocurado. En un nuevo estudio, Qi y sus colaboradores transfirieron el patrón de escala de grises para una distribución controlada de la intensidad de la luz de una superficie 2-D a una impresión 3-D para diseñar estructuras RSC capa por capa. Si los patrones de escala de grises se diseñaron bien, Se hizo posible una variedad de estructuras 3-D con la capacidad de contraerse e hincharse reversiblemente en el tiempo (cuarta dimensión) para el comportamiento 4-D. Los resultados ahora se publican en Materiales multifuncionales , Ciencia de la PIO.
Como prueba de principio, el estudio utilizó una impresora de procesamiento de luz digital (DLP) para impresión 4-D en escala de grises con una fuente de luz de proyector UV para imprimir un polímero de resina líquida fotocurable compuesto de diacrilato de poli (etilenglicol) (PEGDA), metacrilato de butilo (BMA), acrilato de butilo (BA), fotoiniciadores y fotoabsorbentes. La estructura de interés se diseñó primero y se cortó en imágenes correspondientes a cada capa de impresión. La escala de grises diseñada de cada imagen en diferentes posiciones espaciales se procesó con Matlab y se pasó al proyector UV para su impresión. El principio de fabricación del material se basaba en la irradiación de luz para el endurecimiento fotoinducido de la solución de resina líquida. El producto diseñado era una estructura con diversas densidades de entrecruzamiento en diferentes posiciones espaciales para permitir cambios de forma reversibles.
Cuando la estructura impresa se sumergió en un baño de agua, comenzó un proceso conocido como desolvatación, como pequeños oligómeros dentro del material reticulado de manera diferente que se difunden fuera de la estructura, permitiendo que la estructura impresa se deforme hacia la parte menos curada. Basado en el diseño de patrones en escala de grises, Se formaron una variedad de estructuras auto-plegables a través de la deformación inducida por desolvatación.
El cambio de forma fue reversible y relativamente rápido en una solución de acetona; Las estructuras absorbieron el solvente para hincharse y recuperar su forma original mientras aún estaban en solución. La estructura recuperada se volvería a doblar al retirarla de la acetona, invirtiendo a su estructura secundaria en el aire.
Materiales que cambian de forma reversibles:se hinchan en acetona y se doblan en el aire. Crédito: Materiales multifuncionales , doi:10.1088 / 2399-7532 / aac322
En principio, el valor de la escala de grises de cada píxel de la imagen cortada controlaba la intensidad de la luz o la dosis de luz, lo que influyó en la conversión final del material durante la impresión. El proceso se digitalizó para controlar con precisión el patrón de escala de grises y la construcción resultante. Los materiales recientemente desarrollados se caracterizaron utilizando ATR-FTIR (espectroscopia infrarroja de reflexión atenuada total-transformada de Fourier) para medir el grado de curado (DoC) de la muestra fotopolimerizada, seguido de la cuantificación del módulo de young para probar la rigidez del material, cinética de la reacción de fotocuración y cuantificación de la desolvatación frente a la recuperación.
Transformación de patrón reversible de patrones impresos en escala de grises:(a-c) usando patrones de imagen en escala de grises, los autores construyeron diferentes formas que podrían cambiar de forma reversiblemente en agua y acetona, volviendo a una forma doblada en el aire. Crédito: Materiales multifuncionales , doi:10.1088 / 2399-7532 / aac322
Las estructuras activas que cambian de forma o funcionan de manera reversible en respuesta a estímulos externos tienen aplicaciones en la ingeniería aeroespacial, dispositivos médicos y electrónica flexible como polímeros con memoria de forma. Las estructuras autoexpandibles / retráctiles son útiles como actuadores de luz y para aplicaciones como stents endovasculares. Dichos diseños también se diseñaron en el estudio como materiales autoexpandibles / retráctiles utilizando el método de impresión 4-D en escala de grises. El tiempo de transformación varió entre 6 minutos en acetona y 25 minutos en aire. Luego, el concepto se extendió de una superficie plana a una forma de cubo utilizando el mismo método, el tiempo de recuperación en acetona fue de aproximadamente 4 min y el tiempo de secado al aire fue de 8 min. Utilizando el mismo concepto, Wu et al. también creó una estructura similar a una flor para encogerse en solución y florecer en el aire.
Materiales que cambian de forma reversible:cambio de forma de acetona a aire para crear una flor floreciente. Crédito: Materiales multifuncionales , doi:10.1088 / 2399-7532 / aac322
Los investigadores desarrollaron además estructuras auxéticas avanzadas o metamateriales (que intrínsecamente tienen una relación de Poisson negativa) combinados con materiales normales (relación de Poisson positiva) empleando la técnica de impresión. para diseñar la transformación entre los dos.
Transformación entre estructuras normales y auxéticas:a) el diseño original de la estructura auxética (en escala de grises el componente violeta es visible como blanco), b) la estructura impresa, c) propiedades normales del material vistas bajo compresión, d) material después de la desolvatación, e) las propiedades transformadas vistas bajo compresión. Crédito: Materiales multifuncionales , doi:10.1088 / 2399-7532 / aac322
El método de impresión 4-D en escala de grises se desarrolló como una prueba de principio para proporcionar una técnica simple y económica para crear estructuras activas. Los autores proponen una gama de posibles aplicaciones biomédicas para los materiales de ingeniería como materiales compuestos en robótica blanda y stents endovasculares.
© 2018 Phys.org
