Impresión en 4D con polímeros de memoria de forma en Swift 4

22 de diciembre de 2023 funcionalidad

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Los polímeros con memoria de forma o materiales que cambian de forma son materiales inteligentes que han ganado atención significativa en la ciencia de los materiales y la ingeniería biomédica en los últimos años para construir estructuras y dispositivos inteligentes. La impresión digital en 3D es un método basado en fotopolimerización con polímeros que permite una tecnología mucho más rápida para imprimir una capa completa en un solo paso y crear materiales inteligentes.

Fahad Alam y un equipo de científicos en ingeniería eléctrica, ingeniería informática e ingeniería nuclear de la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología de Arabia Saudita desarrollaron un método fácil y rápido para imprimir en 3D estructuras inteligentes basadas en polímeros con memoria de forma utilizando una impresora 3D de impresión digital con luz y una resina personalizada.

Combinaron un cristal líquido (un material que puede cambiar de forma con la temperatura) con resina para añadir propiedades de memoria de forma y luego imprimir directamente estructuras termorresponsivas en 3D, evitando la complejidad de la preparación de la resina. El equipo imprimió estructuras con diferentes geometrías y midió la respuesta de memoria de forma. Los polímeros con memoria de forma pueden prepararse de manera conveniente para utilizarlos como herramientas, juguetes y meta-materiales inteligentes.

El artículo se publica en la revista NPG Asia Materials.

Los polímeros con memoria de forma pertenecen a una clase de polímeros inteligentes de doble forma que pueden sufrir deformación mecánica y volver a su forma original en respuesta a parámetros ambientales. La recuperación del polímero con memoria de forma depende de la aplicación de estímulos externos como calor, luz, electricidad, humedad y cambios de pH.

Tales materiales son construcciones que cambian de forma y han suscitado considerable interés en los últimos años debido a su versatilidad y viabilidad industrial. El equipo de investigación ha demostrado la impresión en 4D de polímeros con memoria de forma a través de la impresión digital con luz; un método de impresión en 3D basado en fotopolimerización con polímeros en una cubeta. Los resultados destacan la idoneidad de estructuras complejas impresas en 3D para una variedad de aplicaciones.

Creando el efecto de memoria de forma

El equipo de investigación investigó el efecto de memoria de forma de las muestras impresas en 3D estudiando el proceso de inducción y recuperación de la forma. El método permitió la impresión fácil y de alta resolución de diseños 3D intrincados. Estas construcciones son útiles en una variedad de aplicaciones como parches inteligentes flexibles, herramientas mecánicas de tamaño variable y juguetes deformables. En este trabajo, Alam y sus colegas desarrollaron un polímero de memoria de forma basado en un cristal líquido mezclado con una resina fotosensible para desarrollar un polímero semicristalino y describieron su mecanismo de acción basado en estudios previos.

El equipo observó la morfología interna de las secciones transversales impresas en 3D con o sin cristales líquidos utilizando microscopía electrónica de barrido. Luego, observaron las respuestas de los polímeros con memoria de forma en relación con su capacidad de recuperación después de soportar carga. El trabajo actual mostró la influencia de la impresión digital en 3D con luz para crear polímeros con memoria de forma con efectos en 4D. Los científicos cuantificaron la respuesta de memoria de forma para mostrar la relación de ángulo de recuperación versus tiempo.

Propiedades mecánicas ajustables

Los investigadores exploraron las aplicaciones prometedoras de los polímeros inteligentes impresos en 3D con memoria. Para lograr esto, Alam y sus colegas determinaron las propiedades mecánicas de los materiales realizando pruebas de tensión en una muestra en forma de hueso de perro para mostrar cómo se pueden ajustar las propiedades mecánicas de los materiales impresos mediante la regulación de la forma de las estructuras de enrejado.

Confirmaron la ajustabilidad mecánica de los materiales inteligentes mediante simulaciones de elementos finitos y compararon los resultados experimentales con pruebas de tensión del análisis de elementos finitos. El rendimiento mecánico de los enrejados 2D observados a través de experimentos concordaba con las predicciones de simulación. Basándose en la flexibilidad y estirabilidad, Alam y su equipo probaron las muestras para pruebas de tensión y para aplicaciones de detección de movimiento en articulaciones.

Para facilitar el movimiento de las articulaciones a través de la integración del polímero, los científicos aplicaron un revestimiento conductor a base de nano-plata como electrodo, lo que requirió una optimización adicional de los parámetros de impresión. Los científicos midieron los cambios en la resistencia eléctrica al estirar y comprimir la estructura para facilitar el movimiento en pacientes.

The results of resistance measurement of the prepared lattice electrode patch showed its potential for use as a smart patch for joint-movement sensing; this can be applied to a human knee, elbow joint, artificial limb, or real limbs to sense movement. Such electrode patches can be customized to the size of the patient under easy and fast manufacturing processes.

Outlook

In this way, Fahad Alam and team presented a method to 3D print smart materials by first using shape-memory polymers for easy and fast manufacture through digital light processing. The scientists customized the 3D-printed objects to create structures that changed with time, this is known as 4D printing. They achieved this by combining liquid crystals with a resin, and printing it by using a commercial desktop printer. The researchers used the method to manufacture a variety of complex objects including lattice patches, foldable toys, smart packaging, and mechanical wrenches.

The scientists subjected these objects to heat, to temporarily change their shape, and for subsequent shape recovery applications. The team used tensile tests to show the adjustable nature of shape-memory polymers, to meet specific applications in biomedical engineering. Such 3D-printed lattice patches are well suited for strain sensing in joint movement applications. The researchers recorded the changes in electrical resistance from the 3D-printed smart patch to detect the movement in artificial limb joints and arms of patients.

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