Un equipo de investigación de la City University of Hong Kong (CityU) ha logrado un avance revolucionario en la investigación de materiales al desarrollar con éxito la primera impresión 4-D para cerámica del mundo. que son mecánicamente robustos y pueden tener formas complejas. Esto podría pasar una nueva página en la aplicación estructural de la cerámica.

La cerámica tiene un alto punto de fusión, por lo que es difícil utilizar la impresión láser convencional para hacer cerámica. Los precursores de cerámica impresos en 3D existentes, que suelen ser difíciles de deformar, también dificultan la producción de cerámicas con formas complejas. Para superar estos desafíos, el equipo de CityU ha desarrollado una novedosa "tinta cerámica, "que es una mezcla de polímeros y nanopartículas cerámicas. Los precursores cerámicos impresos en 3D impresos con esta nueva tinta son suaves y se pueden estirar tres veces más allá de su longitud inicial. Estos precursores cerámicos flexibles y estirables permiten formas complejas, como el plegado de origami. Con un tratamiento térmico adecuado, Se pueden fabricar cerámicas con formas complejas.

El equipo estaba dirigido por el profesor Lu Jian, catedrático de ingeniería mecánica, quien es un científico de materiales distinguido con intereses de investigación que van desde la fabricación de nanomateriales y materiales estructurales avanzados hasta la simulación computacional de ingeniería de superficies. Con el desarrollo de los precursores elásticos, el equipo de investigación ha logrado un avance más al desarrollar dos métodos de impresión 4-D de cerámica.

La impresión 4-D es la impresión 3D convencional combinada con el elemento adicional del tiempo como cuarta dimensión, donde los objetos impresos pueden reformarse o autoensamblarse con el tiempo con estímulos externos, como la fuerza mecánica, temperatura, o un campo magnético. En esta investigación, el equipo hizo uso de la energía elástica almacenada en los precursores estirados para transformar la forma. Cuando se liberan los precursores cerámicos estirados, se someten a una auto-remodelación. Después del tratamiento térmico, los precursores se convierten en cerámica.

Las cerámicas derivadas de elastómeros resultantes son mecánicamente robustas. Pueden tener una alta relación resistencia a la compresión / densidad (547 MPa en microredes de 1,6 g cm-3), y pueden venir en tamaños grandes con alta resistencia en comparación con otras cerámicas impresas.

"Todo el proceso parece sencillo, pero no lo es, ", dijo el profesor Lu." Desde la fabricación de la tinta hasta el desarrollo del sistema de impresión, lo intentamos muchas veces y con diferentes métodos. Como exprimir la guinda de un pastel, hay muchos factores que pueden afectar el resultado, que van desde el tipo de crema y el tamaño de la boquilla, a la velocidad y fuerza de apretar, y la temperatura ".

El equipo tardó más de dos años y medio en superar las limitaciones de los materiales existentes y desarrollar todo el sistema de impresión cerámica 4-D.

En el primer método de modelado, un precursor cerámico impreso en 3D y un sustrato se imprimieron primero con la nueva tinta. El sustrato se estiró utilizando un dispositivo de estiramiento biaxial, y se imprimieron juntas para conectar el precursor. A continuación, se colocó el precursor sobre el sustrato estirado. Con el control del tiempo programado por computadora y la liberación del sustrato estirado, los materiales se transformaron en la forma diseñada.

En el segundo método, el patrón diseñado se imprimió directamente sobre el precursor de cerámica estirado. Luego fue lanzado bajo el control de la programación de computadoras y se sometió al proceso de autotransformación.

La innovación fue publicada en el último número de la revista académica más importante. Avances de la ciencia bajo el título "Origami e impresión 4-D de estructuras cerámicas derivadas de elastómeros". Todos los miembros del equipo de investigación son de CityU, incluido el Dr. Liu Guo, Asistente de investigación, Dr. Zhao Yan, asociado de investigación senior, y el Dr. Wu Ge, compañero de investigación.

"Con la versátil capacidad de transformación de formas de los precursores cerámicos impresos, su aplicación puede ser enorme, ", dijo el profesor Lu. Una aplicación prometedora es la electrónica. Los materiales cerámicos tienen un rendimiento mucho mejor en la transmisión de señales electromagnéticas que los materiales metálicos. Con la llegada de las redes 5G, Los productos cerámicos jugarán un papel más importante en la fabricación de productos electrónicos. La naturaleza artística de la cerámica y su capacidad para formar formas complejas también brindan a los consumidores la posibilidad de crear placas traseras de cerámica personalizadas para teléfonos móviles.

Es más, esta innovación se puede aplicar en aeronáutica y exploración espacial. "Dado que la cerámica es un material mecánicamente robusto que puede tolerar altas temperaturas, la cerámica impresa en 4-D tiene un alto potencial para ser utilizada como componente de propulsión en el campo aeroespacial, "dijo el profesor Lu.

Aprovechando el avance en el material y el avance de la técnica de impresión 4-D, El profesor Lu dijo que el siguiente paso es mejorar las propiedades mecánicas del material, como reducir su fragilidad.