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至可实现自动折叠可打印的膨胀聚合物材料

技术资料发布时间:2021-09-13

可实现自动折叠可打印的膨胀聚合物材料

随着3-D打印技术逐步成为1种主流的制造技术,工业和学术研究人员1直致力于研究1种加热或浸入水中后会自发折叠成有用的3维形状的可打印的结构。

在美国化学协会期刊《利用材料和界面》上刊登的1篇论文中,麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究人员报告了1些新的发现:1种1旦其从打印平台上剥离它就开始自行折叠起来的可印刷的结构。

研究人员表示,这类无需任何外部刺激就能够自行折叠的装备的1个重大优势是它们可以利用到更多的材料和更精细的结构中去。

至可实现自动折叠可打印的膨胀聚合物材料

通过新方法得到的1种1旦脱离打印平台就开始自行折叠的可打印结构。图片来源:麻省理工学院

这篇文章的第1作者,麻省理工学院电气工程和计算机科学研究生Subramanian Sundaram说:“如果人们想添加1些印刷电子元件,通常会选用1些有机材料,由于大多数印刷电子元件都会依赖于有机材料。但是这些材料通常对湿度和温度都非常地敏感,所以如果你的这些电子元件和零件需要折叠,你肯定不想将它们3、局部放大曲线上的任意段可进行放大、分析浸在水中或加热它们,由于这些操作都会使电子器件的性能大幅减弱。”

为了说明这1想法,研究人员构建了1个自折叠可打印装备的原型,其中包括电引线和当施加电压时我们和客户做好了长时间的服务标准从透明变成不透明的聚合物“像素”。该装置是Sundaram及其同事今年早些时候宣布的“可印刷金甲虫”的变形,开始看起来像字母“H”。 但是,H的每一个腿都在根部和中间向两个不同的方向折叠,最后构成1个桌面的形状。

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为了表明他们可以精确控制关节折叠的角度研究人员还制作立了几个不同版本的基本形状相同的铰链。在测试中,他们通过将铰链固定在负重载来强迫地拉直铰链,而当载荷被移除时,铰链就会恢复到原来的折叠状态。

预计在短时间内,该技术就能够实现传感器、显示器或天线的精细化制造,而所得到的产品功能则取决于它们的3维形状。长时间来看,研究人员认为制造可打印机器人也是有可能的。

Sundaram在文章中加入了其导师导师Wojciech Matusik麻省理工学院电气工程和计算机科学(EECS)的副教授的1些建议;Marc Baldo也是EECS的副教授,他专门从事于研究有电机子产品;David Kim是马特里克的计算制造小组的技术助理;Ryan Hayward是马萨诸塞大学阿莫斯特分校的高份子科学与工程教授。

应力释放

研究人员这项设计的关键是1种在凝固后要产生扩大的新型打印机墨水材料,这类特性是不同寻常的。大多数打印机墨水材料在固化时会略有缩小,这也是设计师常常需要面对的技术限制。

印刷装备通常会分层建立,在印刷原型中,麻省理工学院研究人员将扩大材料沉积在顶层或底部几层的精确位置上。底层会微微地粘附在打印机平台上,并且其粘协力足以使器件在层不方便采取立式结构的拉力实验机层装配时保持平整。但是,1旦所完成的器件从平台上剥离,由新材料制成的接头会开始膨胀,将器件沿相反的方向曲折。

和以往的许多技术突破1样,这类新材料的发现对计算机科学与人工智能实验室研究人员来讲是1个意外的欣喜。马特里克计算机制造团体使用的大部份打印机材料是由聚合物组合起来的,大份子由链状单份子组分或单体组成。而这些组件混合的方法正是1种用于创建具有特定物理特性的打印机墨水的方法。

计算机科学与人工智能实验室的研究人员在尝试开产生产更加灵活的印刷墨水的进程中,无意中打到了1个固化后轻微膨胀的墨水。他们立即认识到扩大性聚合物的潜力,并开始尝试混合物配方的修改,直到他们找到1个能建立起足够扩大的接头而可以将印刷品进行对折的配方。

为何会这样?缘由有哪些?

Hayward对该文的贡献是帮助麻省理工学院团队解释了材料的扩大。产生最强力膨胀的油墨包括几个长份子链和1条非常短的份子链,由单体丙烯酸异辛酯组成。当墨水暴露于紫外线或“固化”( 通经常使用于3-D印刷以硬化作为液体沉积的材料的工艺)时,长链份子的接触会产生相互缠结的份子刚性丛。

至可实现自动折叠可打印的膨胀聚合物材料

植物如金银花(凤仙花;俗称别摸我)会奇妙地用压力来使种子的弹射分散。该植物通过控制组织水合作用之内在压力的情势在其种子荚中贮存能量。当轻轻震动时,这些荚便会爆开来,并卷曲来发射种子。使用类似的概念,S. Sundaram及其同事展现了使用3D打印来制造具有特定区域残余应力的扁平电子复合材料。图片来源:麻省理工学院

当另外一层材料沉积在第1层的顶部时,丙烯酸异辛酯的短链悬浮在顶部,液体层下沉到更低、刚性更强的层中。在那里,它们与较长的链相互作用以施加膨胀的力,其对印刷平台的粘附性产生暂时性抵抗。

研究人员希望对材料产生扩大的缘由可以有更多的理论认识,使他们能够根据具体利用来设计材料,包括许多印刷聚合物固化后会有1%⑶%的收缩典型材料。

北卡罗来纳州立大学化学工程教授Michael Dickey说:“这项工作使人兴奋,由于它提供了1种在3维物体上创建功全市金融系统认真贯彻落实中央和市委决策部署能性电子装备的方法。通常,电子处理是在2D平面上完成的,需要1个平坦的表面。这里提供了1种使用更传统的平面技术在2-D表面上创建电子装备的原件,然后将其转换为3-D形状,同时保持电子元件的功能,这类转变是通过印刷进程中在材料中产生应力的奇妙方法所产生的。”