La stampa 4-D con i polimeri a memoria di forma è una tecnologia innovativa.

22 dicembre 2023 funzionalità

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

I polimeri con memoria di forma o materiali che cambiano forma sono materiali intelligenti che hanno attirato notevole attenzione nella scienza dei materiali e nell'ingegneria biomedica negli ultimi anni per costruire strutture e dispositivi intelligenti. La stampa digitale con luce è un metodo basato su fotopolimerizzazione in impianto con una tecnologia significativamente più rapida per stampare uno strato completo in un unico passaggio per creare materiali intelligenti.

Fahad Alam e un team di scienziati di ingegneria elettrica e informatica ed ingegneria nucleare presso il King Abdullah University of Science and Technology, in Arabia Saudita, hanno sviluppato un metodo facile e veloce per stampare in 3D strutture intelligenti basate su polimeri con memoria di forma con una stampante 3D a luce digitale e resina personalizzata.

Hanno combinato un cristallo liquido (un materiale in grado di cambiare forma con la temperatura) con una resina, per conferire proprietà di memoria di forma alla stampa 3D di strutture termoresponsive, evitando la complessità della preparazione della resina. Il team ha stampato le strutture con diverse geometrie e ha misurato la risposta di memoria di forma. I polimeri con memoria di forma possono essere facilmente preparati per essere utilizzati come strumenti intelligenti, giocattoli e metariali metallici.

L'articolo è pubblicato sulla rivista NPG Asia Materials.

I polimeri con memoria di forma appartengono a una classe di polimeri intelligenti a doppia forma che possono subire deformazione meccanica e tornare alla loro forma originale in risposta a parametri ambientali. Il ripristino dei polimeri con memoria di forma dipende dall'applicazione di stimoli esterni come calore, luce, elettricità, umidità e variazioni di pH.

Questi materiali sono costrutti che cambiano forma e hanno suscitato un notevole interesse negli ultimi anni grazie alla loro versatilità e fattibilità industriale. Il team di ricerca ha dimostrato la stampa in 4D di polimeri con memoria di forma mediante la stampa digitale con luce; un metodo di stampa 3D basato sulla fotopolimerizzazione in impianto. I risultati hanno evidenziato l'adeguatezza delle strutture complesse stampate in 3D per una varietà di applicazioni.

Creazione dell'effetto di memoria di forma

Il team di ricerca ha indagato l'effetto di memoria di forma dei campioni stampati in 3D studiando il processo di induzione e recupero della forma. Il metodo ha permesso la stampa facile e ad alta risoluzione di design 3D intricati. Questi costrutti sono utili in una varietà di applicazioni come flessibili patch intelligenti, strumenti meccanici di dimensioni variabili e giocattoli deformabili. In questo lavoro, Alam e colleghi hanno sviluppato un polimero con memoria di forma basato su un cristallo liquido miscelato con una resina fotosensibile, per sviluppare un polimero semicristallino e ne hanno descritto il meccanismo d'azione, basandosi su studi precedenti.

Il team ha osservato la morfologia interna delle sezioni trasversali dei campioni stampati in 3D con o senza cristalli liquidi utilizzando la microscopia elettronica a scansione. Hanno poi osservato le risposte dei polimeri con memoria di forma relativamente alla loro capacità di recupero dopo il carico. Il presente lavoro ha mostrato l'influenza della stampa digitale con luce nella creazione di polimeri con memoria di forma con effetti in 4D. Gli scienziati hanno quantificato la risposta di memoria di forma mostrando il rapporto dell'angolo di ripristino nel tempo.

Proprietà meccaniche regolabili

I ricercatori hanno esplorato le promettenti applicazioni dei polimeri intelligenti stampati in 3D. Per fare ciò, Alam e colleghi hanno determinato le proprietà meccaniche dei materiali mediante test di trazione su una provetta a forma di osso di cane, per mostrare come le proprietà meccaniche dei materiali stampati possono essere regolate regolando la forma delle strutture a traliccio.

Hanno confermato la regolabilità meccanica dei materiali intelligenti mediante simulazioni agli elementi finiti e hanno confrontato i risultati sperimentali con i test di trazione provenienti dall'analisi agli elementi finiti. Le prestazioni meccaniche dei tralicci 2D osservate sperimentalmente e previste tramite simulazione sono risultate concordi. In base alla flessibilità ed elasticità, Alam e il team hanno testato i campioni per test di deformazione e per applicazioni di rilevamento di movimento delle articolazioni.

Per agevolare il movimento delle articolazioni attraverso l'integrazione del polimero, gli scienziati hanno applicato un rivestimento conduttivo a base di nano-argento come elettrodo, che richiedeva ulteriori ottimizzazioni dei parametri di stampa. Gli scienziati hanno misurato i cambiamenti nella resistenza elettrica tirando e comprimendo la struttura per agevolare il movimento dei pazienti.

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.

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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