Swift 4-D impression avec des polymères à mémoire de forme

22 décembre 2023 fonctionnalité

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par Thamarasee Jeewandara , Phys.org

Les polymères à mémoire de forme ou les matériaux changeant de forme sont des matériaux intelligents qui ont suscité une attention significative dans les domaines des sciences des matériaux et de l'ingénierie biomédicale ces dernières années pour construire des structures et des dispositifs intelligents. Le traitement numérique de la lumière est une méthode basée sur la photopolymérisation en cuve avec une technologie beaucoup plus rapide pour imprimer une couche complète en une seule étape afin de créer des matériaux intelligents.

Fahad Alam et une équipe de scientifiques en génie électrique et informatique, et en génie nucléaire de l'Université des sciences et technologies du roi Abdullah, Arabie saoudite ont développé une méthode facile et rapide pour imprimer en 3D des structures intelligentes à base de polymère à mémoire de forme à l'aide d'une imprimante 3D d'impression numérique à la lumière et de résines personnalisées.

Ils ont combiné un cristal liquide (un matériau capable de changer de forme en fonction de la température) avec de la résine, afin d'introduire des propriétés à mémoire de forme pour imprimer directement des structures thermosensibles en 3D - tout en évitant la complexité de la préparation de la résine. L'équipe a imprimé des structures de différentes géométries et mesuré la réponse à la mémoire de forme. Les polymères à mémoire de forme peuvent être préparés de manière pratique pour être utilisés comme outils intelligents, jouets et métamatériaux.

L'article est publié dans le journal NPG Asia Materials.

Les polymères à mémoire de forme appartiennent à une classe de polymères intelligents à double forme qui peuvent subir une déformation mécanique et revenir à leur forme d'origine en réponse à des paramètres environnementaux. La récupération du polymère à mémoire de forme dépend de l'application de stimuli externes tels que la chaleur, la lumière, l'électricité, l'humidité et les variations de pH.

Ces matériaux sont des constructions changeant de forme qui ont suscité un intérêt considérable ces dernières années en raison de leur polyvalence et de leur viabilité industrielle. L'équipe de recherche a démontré l'impression en 4D de polymères à mémoire de forme via le traitement numérique de la lumière ; une méthode d'impression 3D basée sur la photopolymérisation en cuve. Les résultats ont souligné l'adéquation de structures complexes imprimées en 3D pour une variété d'applications.

Création de l'effet de mémoire de forme

L'équipe de recherche a étudié l'effet de mémoire de forme des échantillons imprimés en 3D en étudiant le processus d'induction et de récupération de la forme. La méthode a permis une impression facile et haute résolution de conceptions 3D complexes. Ces constructions sont utiles dans différentes applications en tant que patchs intelligents flexibles, outils mécaniques à taille variable et jouets déformables. Dans ce travail, Alam et ses collègues ont développé un polymère à mémoire de forme à base de cristal liquide mélangé à une résine photosensible, afin de développer un polymère semi-cristallin et de décrire son mécanisme d'action, sur la base d'études antérieures.

L'équipe a observé la morphologie interne des sections transversales imprimées en 3D avec ou sans cristaux liquides en utilisant la microscopie électronique à balayage. Ils ont ensuite observé les réponses des polymères à mémoire de forme en fonction de leur capacité à récupérer après avoir supporté une charge. Les travaux actuels ont montré l'influence du traitement numérique de la lumière en 3D pour créer des polymères à mémoire de forme avec des effets en 4D. Les scientifiques ont quantifié la réponse à la mémoire de forme pour montrer le rapport d'angle de récupération par rapport au temps.

Propriétés mécaniques réglables

Les chercheurs ont exploré les applications prometteuses des polymères à mémoire de forme imprimés en 3D. Pour ce faire, Alam et ses collègues ont déterminé les propriétés mécaniques des matériaux en réalisant des tests de traction sur un spécimen en forme d'os de chien, pour montrer comment les propriétés mécaniques des matériaux imprimés peuvent être réglées en régulant la forme des structures de treillis.

Ils ont confirmé la possibilité de réglage mécanique des matériaux intelligents en réalisant des simulations par éléments finis, et ont comparé les résultats expérimentaux avec des tests de traction issus de l'analyse par éléments finis. Les performances mécaniques des treillis bidimensionnels observées par expérience et prédites par simulation sont concordantes. Sur la base de la flexibilité et de l'étirabilité, Alam et son équipe ont testé les échantillons pour des essais de contrainte et pour des applications de détection de mouvement des articulations.

Pour faciliter le mouvement des articulations via l'intégration de polymères, les scientifiques ont appliqué un revêtement conducteur à base de nano-argent en tant qu'électrode, ce qui nécessitait une optimisation supplémentaire des paramètres d'impression. Les scientifiques ont mesuré les changements de résistance électrique en étirant et en comprimant la structure pour faciliter les mouvements chez les patients.

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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