Un nuevo método de impresión 3-D facilitará la fabricación y el control de la forma de los robots blandos, músculos artificiales y dispositivos portátiles. Investigadores de UC San Diego muestran que al controlar la temperatura de impresión del elastómero de cristal líquido, o LCE, pueden controlar el grado de rigidez y capacidad de contracción del material, también conocido como grado de actuación. Y lo que es más, pueden cambiar la rigidez de diferentes áreas en el mismo material al exponerlo al calor.

Como prueba de concepto, los investigadores impresos en 3D en una sola impresión, con una sola tinta, estructuras cuya rigidez y actuación varían en órdenes de magnitud, de cero a 30 por ciento. Por ejemplo, un área de la estructura LCE puede contraerse como músculos; y otro puede ser flexible, como tendones. El avance fue posible porque el equipo estudió a LCE de cerca para comprender mejor las propiedades de sus materiales.

El equipo, dirigido por Shengqiang Cai, profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, detalla su trabajo en la edición del 25 de septiembre de Avances de la ciencia .

Los investigadores se inspiraron para crear este material con diferentes grados de actuación mediante ejemplos en biología y naturaleza. Además de la combinación de músculos y tendones, los investigadores tomaron señales del pico del calamar, que es extremadamente rígido en la punta pero mucho más suave y maleable donde se conecta a la boca del calamar.

"La impresión 3D es una gran herramienta para hacer tantas cosas diferentes, y es aún mejor ahora que podemos imprimir estructuras que pueden contraerse y endurecerse según se desee bajo ciertos estímulos. en este caso, calor, "dijo Zijun Wang, primer autor del artículo y un Ph.D. estudiante en el grupo de investigación de Cai.

Comprender las propiedades de los materiales

Para comprender cómo ajustar las propiedades del material de LCE, Los investigadores primero estudiaron el material muy de cerca. Determinaron que el filamento LCE impreso está hecho de una carcasa y un núcleo. Mientras que la carcasa se enfría rápidamente después de la impresión, volviéndose más rígido, el núcleo se enfría más lentamente, permaneciendo más maleable.

Como resultado, los investigadores pudieron determinar cómo variar varios parámetros en el proceso de impresión, especialmente la temperatura, para ajustar las propiedades mecánicas de LCE. En una palabra, cuanto mayor sea la temperatura de impresión, cuanto más flexible y maleable sea el material. Si bien la preparación de la tinta LCE tarda unos días, la impresión 3D real se puede realizar en solo 1 o 2 horas, dependiendo de la geometría de la estructura a imprimir.

"Según la relación entre las propiedades del filamento LCE y los parámetros de impresión, es fácil construir estructuras con propiedades de material graduado, "dijo Cai.

Variación de la temperatura a las estructuras de impresión 3D

Por ejemplo, Los investigadores imprimieron un disco LCE a 40 grados C (104 F) y lo calentaron hasta 90 grados C (194 F) en agua caliente. El disco se deformó en forma cónica. Pero un disco LCE compuesto por áreas que se imprimen a diferentes temperaturas (40, luego 80 luego 120 grados Celsius, por ejemplo), deformado en una forma completamente diferente cuando se calienta.

Los investigadores también imprimieron en 3D estructuras hechas de dos capas de LCE con diferentes propiedades y demostraron que esto le daba al material aún más grados de libertad para actuar. Los investigadores también imprimieron estructuras de celosía con el material, que podría utilizarse en aplicaciones médicas.

Finalmente, como prueba de concepto, el equipo 3-D imprimió un tubo LCE que habían ajustado durante la impresión 3-D y demostró que podía adherirse a una placa de vidrio rígida por mucho más tiempo cuando se accionaba a altas temperaturas. aproximadamente 94 C (201 F), que un tubo LCE normal con propiedades homogéneas. Esto podría conducir a la fabricación de mejores patas y pinzas robóticas.

La activación del material podría activarse no solo en agua caliente, sino también mediante la infusión de LCE con partículas sensibles al calor o partículas que absorben la luz y la convierten en calor, desde tinta negra en polvo hasta grafeno. Otro mecanismo sería imprimir en 3D las estructuras con cables eléctricos que generan calor incrustados en LCE.

Los siguientes pasos incluyen encontrar una manera de ajustar las propiedades del material de manera más precisa y eficiente. Los investigadores también están trabajando para modificar la tinta para que las estructuras impresas puedan repararse automáticamente. reprogramable, y reciclable.