Işık tabanlı gri tonlamalı desenli 4-D baskı geri dönüşümlü şekil değiştirme malzemeleri
Tersinir şekil değişimi, mekanik aktüatörler, yumuşak robotlar ve yapay kaslar dahil olmak üzere birçok biyomedikal uygulama için oldukça cazip bir özelliktir. Bazı materyaller, ışıkla ışınlandığında boyut ve şekil değiştirebilir, uzaktan kumanda için umut veren doğrudan temas olmadan mekanik deformasyonu tetikleyebilir. Geri dönüşümlü, şekil değiştiren (RSC) yapıları, ışık, ısı veya elektrik alanları gibi dış uyaranlara tepki veren aktif malzemeler, diğer aktif olmayan malzemelerle birlikte kullanılır. Gelişmiş çok malzemeli 3-D baskı RSC yapılarının tasarımını ve imalatını sağlamış olmasına rağmen, geniş kullanımları kısıtlayan sadece özel malzemeler basılabilir.
Alternatif olarak, kısa bir süre önce, fotopolimerlerde veya ışıkla aktive edilmiş reçineler üzerinde yansıtılan bir modelin ışık yoğunluğu dağılımını kontrol etmek ve geri dönüşümlü, kendiliğinden katlanan ve açılmayan 2-D origami yapıları oluşturmak için çapraz bağlanmayı indüklemek için "gri tonlama modeli" kullanılarak daha basit bir yöntem sunuldu. Farklı ışık yoğunlukları, foto polimerize edilmiş polimer tabakaları içinde farklı çapraz bağlama yoğunluklarına neden olmuştur. Yeni bir çalışmada, Qi ve çalışma arkadaşları, kontrollü ışık yoğunluğu dağılımı için 2 boyutlu yüzeyden 3 boyutlu baskıya, katman katman katmanına mühendis olmak için gri tonlamalı modeli aktardılar. Gri tonlama desenleri iyi tasarlandıysa, 4-D davranışı için zaman içinde (dördüncü boyut) küçültülebilen ve küçültülebilen çeşitli 3-D yapıları mümkün hale getirildi. Sonuçlar artık Çok Fonksiyonlu Malzemeler, IOP Biliminde yayınlandı.
Prensip olarak, bu çalışma, bir poliüretan etilen glikol diakrilat (PEGDA), bütil metakrilattan oluşan bir foto iyileştirilebilir sıvı reçine polimeri basmak için bir UV projektör ışığı kaynağı ile gri tonlamalı 4-D baskı için bir dijital ışık işleme (DLP) yazıcısı kullanmıştır. (BMA), bütil akrilat (BA), foto-başlatıcılar ve foto-absorberler. İlgili yapı ilk olarak her baskı katmanına karşılık gelen resimlere göre tasarlanmış ve dilimlenmiştir. Farklı mekansal konumlardaki her resmin tasarlanan gri tonları Matlab kullanılarak işlendi ve yazdırma için UV projektörüne aktarıldı. Materyal üretim ilkesi, sıvı reçine çözeltisinin foto-kaynaklı sertleştirilmesi için ışık ışınlamasına dayanmaktadır. Tasarlanmış ürün, tersinir şekil değişikliklerine imkan vermek için farklı mekansal konumlarda çeşitli çapraz bağlantı yoğunluklarına sahip bir yapıydı.
Basılı yapı bir su banyosuna daldırıldığında, desolvasyon olarak bilinen bir işlem, benzer şekilde çapraz bağlanmış malzeme içindeki küçük oligomerler yapının dışına dağılmış, bu da basılı yapının daha az iyileştirilmiş kısma doğru deforme olmasına izin vermektedir. Gri tonlamalı modellerin tasarımına dayanarak desolvasyon kaynaklı deformasyon yoluyla çeşitli kendiliğinden katlanan yapılar oluşturuldu.
Şekil değişikliği tersine çevrilebilir ve bir aseton çözeltisinde nispeten hızlıdır; Yapıları çözelti soğurken absorbe eder ve hala özüm halindeyken orijinal şeklini alır. Geri kazanılan yapı, havada ikincil yapısına geri dönerek, asetondan ayrıldıktan sonra tekrar bükülecektir.
Prensipte, dilimlenmiş görüntünün her bir pikselinin gri tonlama değeri, baskı sırasında malzemenin nihai dönüşümünü etkileyen ışık yoğunluğunu veya ışık dozunu kontrol etmiştir. İşlem, gri tonlama modelinin ve sonuçtaki yapının hassas bir şekilde kontrol edilmesi için sayısallaştırılmıştır. Yeni geliştirilen materyaller, fotopolimerize edilmiş numunenin sertleşme derecesini (DoC) ölçmek için ATR-FTIR (zayıflatılmış toplam yansıma-Fourier dönüşümü kızıl ötesi spektroskopisi) kullanılarak karakterize edildi, ardından gençlerin malzeme sertliği, foto-curasyon reaksiyonunu test etmek için modülü ölçüldü. kinetik ve desolvasyon ve geri kazanımın kantifikasyonu.
Dış uyaranlara tepki olarak şekil değiştiren veya işlevini tersine çeviren aktif yapılar, uzay mühendisliği, tıbbi cihazlar ve şekil hafızalı polimerler olarak esnek elektroniğe sahip uygulamalara sahiptir. Kendiliğinden genişleyen / küçülen yapılar, ışık aktüatörleri ve endovasküler stentler olarak kullanım için yararlıdır. Bu tür tasarımlar, çalışmada, gri tonlamalı 4-D baskı yöntemini kullanarak kendiliğinden genişleyen / daralan malzemeler olarak tasarlandı. Transformasyon süresi, asetonda 6 dakika ve havada 25 dakika arasında değişmiştir. Konsept daha sonra aynı yöntem kullanılarak düz bir yüzeyden küp şekline uzatıldı, asetonda geri kazanım süresi yaklaşık 4 dakika ve havada kuruma süresi 8 dakika idi. Aynı kavramı kullanarak Wu ve ark. Ayrıca, çözelti içinde büzülecek ve havada çiçek açacak çiçek benzeri bir yapı yarattı.
Araştırmacılar, ek olarak, aralarında baskı tekniği kullanan, normal malzemelerle (pozitif Poisson oranı) birleştirilen gelişmiş yardımcı yapılar ya da meta-materyaller (negatif bir Poisson oranı vardı) geliştirdiler.
Gri tonlamalı 4-D baskı yöntemi, aktif yapılar oluşturmak için basit ve ekonomik bir teknik sağlamak için bir prensip kanıtı olarak geliştirilmiştir. Yazarlar, tasarlanan malzemeler için yumuşak robotik ve endovasküler stentlerde kompozit materyal olarak bir dizi potansiyel biyomedikal uygulama önermektedir.