La méthode d'impression 4D en niveaux de gris a1) les schémas de la méthode avec traitement numérique de la lumière (DLP), a2) motif représentatif en niveaux de gris pour l'impression, a3) schémas d'une structure imprimée avec différentes densités de réticulation, a4) la structure pliée après désolvatation dans l'eau, a5) la structure peut être récupérée dans l'acétone, b) un exemple de conception d'une structure d'impression en niveaux de gris, c) variabilité de la déformation en flexion avec différentes valeurs d'échelle de gris. Crédit: Matériaux multifonctionnels , doi:10.1088/2399-7532/aac322
Le changement de forme réversible est une propriété hautement souhaitable pour de nombreuses applications biomédicales, y compris les actionneurs mécaniques, robotique molle et muscles artificiels. Certains matériaux peuvent changer de taille ou de forme lorsqu'ils sont irradiés par la lumière, déclenchement de déformation mécanique sans contact direct offrant des perspectives de contrôle à distance. Ingénierie réversible, structures à changement de forme (RSC) :des matériaux actifs qui répondent à des stimuli externes tels que la lumière, la chaleur ou les champs électriques sont utilisés avec d'autres matériaux non actifs. Bien que l'impression 3D multi-matériaux avancée ait permis la conception et la fabrication de structures RSC, seuls des matériaux spécifiques peuvent être imprimés, restreindre une large utilisation.
Comme alternative, une méthode plus simple a récemment été présentée en utilisant le « motif en niveaux de gris » pour contrôler la distribution de l'intensité lumineuse d'un motif projeté sur des photopolymères ou des résines activées par la lumière et induire une réticulation pour créer des effets réversibles, structures d'origami 2-D auto-pliantes et dépliantes. Différentes intensités lumineuses ont entraîné différentes densités de réticulation dans les feuilles de polymère photodurcies. Dans une nouvelle étude, Qi et ses collègues ont transféré le motif en niveaux de gris pour une distribution contrôlée de l'intensité lumineuse d'une surface 2D à l'impression 3D pour concevoir les structures RSC couche par couche. Si les motifs en niveaux de gris ont été bien conçus, une variété de structures 3-D avec la capacité de rétrécir et de gonfler de manière réversible dans le temps (quatrième dimension) pour un comportement 4-D ont été rendues possibles. Les résultats sont maintenant publiés dans Matériaux multifonctionnels , IOP Sciences.
Comme preuve de principe, l'étude a utilisé une imprimante de traitement numérique de la lumière (DLP) pour l'impression 4-D en niveaux de gris avec une source de lumière de projecteur UV pour imprimer un polymère de résine liquide photodurcissable composé de poly(éthylène glycol) diacrylate (PEGDA), méthacrylate de butyle (BMA), acrylate de butyle (BA), photoinitiateurs et photoabsorbeurs. La structure d'intérêt a d'abord été conçue et découpée en images correspondant à chaque couche d'impression. L'échelle de gris conçue de chaque image à différentes positions spatiales a été traitée à l'aide de Matlab et transmise au projecteur UV pour l'impression. Le principe de fabrication du matériau était basé sur l'irradiation lumineuse pour le durcissement photo-induit de la solution de résine liquide. Le produit conçu était une structure avec diverses densités de réticulation à différentes positions spatiales pour permettre des changements de forme réversibles.
Lorsque la structure imprimée a été immergée dans un bain-marie, un processus connu sous le nom de désolvatation a commencé, sous forme de petits oligomères à l'intérieur du matériau réticulé de manière dissemblable diffusé hors de la structure, permettant à la structure imprimée de se déformer vers la partie la moins durcie. Basé sur la conception de motifs en niveaux de gris, une variété de structures auto-pliantes ont été formées via la déformation induite par la désolvatation.
Le changement de forme était réversible et relativement rapide dans une solution d'acétone; les structures ont absorbé le solvant pour gonfler et reprendre sa forme d'origine alors qu'elles étaient encore en solution. La structure récupérée se plierait à nouveau lors du retrait de l'acétone, retournant à sa structure secondaire dans l'air.
Matériaux réversibles à changement de forme :gonflent dans l'acétone et se plient à l'air. Crédit: Matériaux multifonctionnels , doi:10.1088/2399-7532/aac322
En principe, la valeur en niveaux de gris de chaque pixel de l'image découpée contrôlait l'intensité lumineuse ou la dose lumineuse, qui a influencé la conversion finale du matériau lors de l'impression. Le processus a été numérisé pour contrôler avec précision le motif en niveaux de gris et la construction résultante. Les matériaux nouvellement développés ont été caractérisés à l'aide d'ATR-FTIR (spectroscopie infrarouge à réflexion totale atténuée-transformation de Fourier) pour mesurer le degré de durcissement (DoC) de l'échantillon photopolymérisé, suivi de la quantification du module de Young pour tester la rigidité du matériau, cinétique de réaction de photocuration et quantification de la désolvatation par rapport à la récupération.
Transformation réversible des motifs imprimés en niveaux de gris :(a-c) à l'aide de motifs d'image en niveaux de gris, les auteurs ont construit différentes formes qui pouvaient changer de forme de manière réversible dans l'eau et dans l'acétone, revenir à une forme courbée dans l'air. Crédit: Matériaux multifonctionnels , doi:10.1088/2399-7532/aac322
Les structures actives qui changent de forme ou de fonction de manière réversible en réponse à des stimuli externes ont des applications en ingénierie aérospatiale, dispositifs médicaux et électronique flexible en tant que polymères à mémoire de forme. Les structures auto-expansibles/rétractables sont utiles en tant qu'actionneurs de lumière et pour des applications en tant que stents endovasculaires. Ces conceptions ont également été conçues dans l'étude en tant que matériaux auto-extensibles/rétractables à l'aide de la méthode d'impression 4-D en niveaux de gris. Le temps de transformation variait entre 6 minutes dans l'acétone et 25 minutes dans l'air. Le concept a ensuite été étendu d'une surface plane à une forme de cube en utilisant la même méthode, le temps de récupération dans l'acétone était d'environ 4 min et le temps de séchage à l'air était de 8 min. En utilisant le même concept Wu et al. a également créé une structure en forme de fleur pour rétrécir en solution et fleurir dans l'air.
Matériaux réversibles à changement de forme :changement de forme de l'acétone à l'air pour créer une fleur épanouie. Crédit: Matériaux multifonctionnels , doi:10.1088/2399-7532/aac322
Les chercheurs ont en outre développé des structures auxétiques avancées ou des métamatériaux (qui ont intrinsèquement un coefficient de Poisson négatif) combinés à des matériaux normaux (coefficient de Poisson positif) en utilisant la technique d'impression, pour concevoir la transformation entre les deux.
Transformation entre les structures normales et auxétiques :a) la conception originale de la structure auxétique (en niveaux de gris la composante violette est visible en blanc), b) la structure imprimée, c) propriétés normales du matériau vues sous compression, d) matériau après désolvatation, e) les propriétés transformées vues sous compression. Crédit: Matériaux multifonctionnels , doi:10.1088/2399-7532/aac322
La méthode d'impression 4-D en niveaux de gris a été développée comme preuve de principe pour fournir une technique simple et économique pour créer des structures actives. Les auteurs proposent une gamme d'applications biomédicales potentielles pour les matériaux d'ingénierie en tant que matériaux composites dans la robotique souple et les stents endovasculaires.
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