Ricercatori UCSD Stampa 3D Elastomeri a cristalli liquidi che cambiano forma
Un team di ricercatori di ingegneria e scienza dei materiali della UC San Diego (UCSD) ha studiato da vicino le qualità degli elastomeri a cristalli liquidi , o LCE , per capire come creare strutture stampate in 3D che cambiano forma dal materiale. I risultati porteranno a un più facile controllo della forma e produzione di cose come muscoli artificiali, robot morbidi e dispositivi indossabili. La loro ispirazione per un materiale con diversi gradi di attuazione (capacità di contrarsi e grado di rigidità) è venuta da esempi di vita reale nel mondo che ci circonda, come il becco di un calamaro, che è davvero rigido sulla punta ma più malleabile e morbido dove si collega alla bocca del cefalopode.
Il team – Zijun Wang, Zhijian Wang, Yue Zheng, Qiguang He, Yang Wang e Shengqiang Cai – ha pubblicato un articolo sulla loro ricerca, intitolato ” Stampa tridimensionale di elastomeri a cristalli liquidi funzionalmente graduati “, sulla rivista Science Advances .
I ricercatori hanno stampato in 3D strutture composte da due strati di LCE con proprietà diverse e hanno dimostrato che ciò ha dato al materiale ancora più gradi di libertà di attivazione.
L’abstract afferma: “In qualità di materiale di attivazione promettente, l’elastomero a cristalli liquidi (LCE) è stato ampiamente esplorato nella costruzione di diverse strutture e dispositivi attivi. Recentemente, è stata sviluppata la tecnica di scrittura a inchiostro diretto per stampare strutture LCE con varie geometrie e comportamenti di attuazione. Nonostante i progressi nella stampa di LCE, rimane difficile stampare strutture LCE tridimensionali (3D) con proprietà classificate. Riportiamo qui un metodo semplice per adattare sia il comportamento di attuazione e le proprietà meccaniche dei filamenti LCE stampati variando i parametri di stampa. Sulla base del rapporto completo elaborazione-struttura-proprietà, proponiamo una semplice strategia per stampare LCE con classificazione funzionale, che aumenta notevolmente lo spazio di progettazione per la creazione di strutture di morphing attivo “.
Sia un nucleo che un guscio costituiscono il filamento LCE stampato in 3D. Imparando a controllare le proprietà del materiale, i ricercatori hanno scoperto che, dopo la stampa, il guscio si irrigidisce e si raffredda rapidamente, ma impiega più tempo perché il nucleo si raffreddi, quindi è rimasto flessibile per periodi di tempo più lunghi.
Wang, il primo autore del documento e uno studente di dottorato nel gruppo di ricerca di Cai, ha spiegato: “La stampa 3D è un ottimo strumento per fare tante cose diverse ed è ancora meglio ora che possiamo stampare strutture che possono contrarsi e irrigidirsi come desiderato sotto un certo stimolo, in questo caso, il calore. “
Stampa DIW di LCE con proprietà termomeccaniche personalizzabili. (A) Schema della configurazione della stampa DIW di LCE. L’inchiostro LCE viene riscaldato fino alla temperatura T ed estruso dall’ugello con un diametro interno d . La punta dell’ugello si muove a una velocità di V durante la stampa e la distanza tra la punta dell’ugello e il piano di stampa è h. A causa dello stress di taglio generato dall’estrusione, i mesogeni a cristalli liquidi sono inizialmente allineati lungo il percorso di stampa. Dopo un certo periodo di tempo, il filamento LCE estruso si raffredda a temperatura ambiente e all’interno si forma una struttura a nucleo-guscio. Il guscio esterno si raffredda molto più velocemente del nucleo interno. Di conseguenza, i mesogeni a cristalli liquidi ben allineati nel guscio esterno vengono temporaneamente fissati dall’elevata viscosità del materiale, mentre i mesogeni hanno abbastanza tempo per riorientarsi a uno stato di polidominio nel nucleo interno. (B) Struttura molecolare dell’oligomero a cristalli liquidi non reticolato nell’inchiostro. (C) Tracce DSC di inchiostro LCE e LCE polimerizzato. (D) Viscosità dell’inchiostro in funzione della velocità di taglio a diverse temperature. (E) Immagini al microscopio ottico polarizzato (POM) di filamenti LCE stampati a temperature diverse. Barre della scala, 0,5 mm.
Il punto è che i ricercatori hanno capito che il grado di attivazione di LCE poteva essere facilmente controllato attraverso la temperatura di stampa e che, esponendo il materiale al calore, potevano anche controllare la rigidità di varie aree dello stesso materiale. Quindi, modificando i parametri di stampa, in particolare la temperatura, sono stati in grado di regolare le proprietà meccaniche del materiale: maggiore è la temperatura, maggiore è la flessibilità di LCE.
“Controllando i parametri di stampa, come la temperatura di stampa, le dimensioni dell’ugello e la distanza tra l’ugello e la piastra di costruzione, possiamo stampare filamenti LCE con proprietà personalizzabili, tra cui la tensione di attivazione, la tensione di attivazione e la rigidità meccanica”, hanno scritto i ricercatori.
Hanno usato la scrittura a inchiostro diretto (DIW) per stampare un disco LCE a 104 ° F, quindi lo hanno immerso in acqua calda, che ha riscaldato il disco fino a 194 ° F e ha assunto una forma conica. Ma i ricercatori hanno scoperto che quando si riscalda un disco LCE che include aree stampate a temperature diverse, si deforma in una forma diversa.
Cai, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale presso la UCSD Jacobs School of Engineering, ha dichiarato: “Sulla base della relazione tra le proprietà del filamento LCE e i parametri di stampa, è facile costruire strutture con proprietà dei materiali classificate”.
Strutture a doppio strato LCE stampate in 3D con sei petali. Il colorante fluorescente RhB è stato aggiunto all’inchiostro prima della stampa e le foto sono state scattate con illuminazione UV a 365 nm. (A) Ogni petalo è composto da due strati di LCE con percorsi di stampa diversi ma gli stessi parametri. L’angolo tra i due percorsi in due strati è di 90 °. Quando la struttura a doppio strato viene immersa in acqua calda a 90 ° C, tutti i petali si attorcigliano. (Da B a D) I percorsi di stampa di due strati di petali sono gli stessi lungo la direzione della lunghezza. Inoltre, per lo strato inferiore, l’LCE viene stampato con una sollecitazione di attivazione minima. Per lo strato superiore di un petalo, la tensione di attivazione è omogenea in (B) ma con gradiente personalizzato in (C) e (D). Quando le strutture a doppio strato sono immerse in acqua calda a 90 ° C, le loro morfologie di flessione sono distinte tra loro da (B) a (D). Le simulazioni FEA sono state utilizzate per calcolare le forme deformate delle strutture a doppio strato stampate. Il campo di stress è rappresentato da diversi colori. La strategia di stampa a gradiente aumenta lo spazio di progettazione per le strutture di morphing attivo. Barre della scala, 20 mm.
Hanno anche stampato strutture reticolari e strutture con due strati LCE, ciascuno con proprietà diverse, per dimostrare che il materiale avrebbe quindi ancora più gradi di libertà di attuazione. Inoltre, l’acqua calda non è l’unica cosa che i ricercatori hanno usato per attivare l’attivazione del materiale: hanno anche infuso l’LCE con particelle sensibili al calore, o quelle che potrebbero convertire la luce assorbita in calore, come il grafene o la polvere di inchiostro nero.
Per la prova del concetto, che consisteva nell’utilizzare un inchiostro per stampare un tubo LCE che era stato messo a punto durante il processo di stampa, il team ha dimostrato come aderirebbe più a lungo a una lastra di vetro rigida se fosse stato attivato a temperature più calde, al contrario a un tubo con “proprietà omogenee”.
“Dimostriamo ulteriormente la mitigazione della concentrazione di stress vicino all’interfaccia tra un tubo LCE azionabile e una lastra di vetro rigida attraverso la stampa a gradiente”, hanno scritto.
Questa scoperta specifica potrebbe aiutare a migliorare la fabbricazione di pinze e piedini robotici.
Dimostrazione dell’attenuazione della concentrazione di stress vicino all’interfaccia tra il tubo LCE attivo e la lastra di vetro. (A) Tubo LCE omogeneo stampato su lastra di vetro rigida. Quando il tubo viene riscaldato a 94 ° C, il tubo si stacca dalla piastra. (B) Tubo LCE con proprietà gradiente stampate su lastra di vetro rigida. Il tubo rimane attaccato alla lastra di vetro quando la temperatura viene aumentata a 94 ° C. (C) Simulazioni FEA del campo di stress dei tubi a 94 ° C con proprietà omogenee (L) e proprietà graduate (R). Il campo di stress è rappresentato da diversi colori. Barre della scala, 20 mm.
Dopo che i ricercatori hanno determinato come regolare le proprietà del materiale in modo più efficiente e accurato, si concentreranno sulla modifica dell’inchiostro LCE in modo da poter realizzare strutture stampate in 3D che siano riprogrammabili o addirittura autoriparanti.