Les matériaux métamorphes produits à l'Université Rice avec une imprimante 3D se transforment de leur forme originale en une alternative grâce aux changements de température, courant électrique ou tension. Cet exemple montre comment une configuration imprimée peut être programmée pour prendre différentes formes. Crédit :Laboratoire Verduzco/Université du riz
Les robots mous et les implants biomédicaux qui se reconfigurent à la demande sont plus proches de la réalité avec une nouvelle façon d'imprimer des matériaux à changement de forme.
Rafael Verduzco et l'étudiant diplômé Morgan Barnes de la Brown School of Engineering de Rice ont développé une méthode pour imprimer des objets qui peuvent être manipulés pour prendre des formes alternatives lorsqu'ils sont exposés à des changements de température, courant électrique ou tension.
Les chercheurs considèrent cela comme une impression 4-D réactive. Leurs travaux sont publiés dans la revue American Chemical Society Matériaux et interfaces appliqués ACS .
Ils ont signalé pour la première fois leur capacité à créer des structures de morphing dans un moule en 2018. Mais en utilisant la même chimie pour l'impression 3D de structures limitées à des formes qui se trouvaient dans le même plan. Cela signifiait qu'aucune bosse ou autre courbure complexe ne pouvait être programmée comme forme alternative.
Surmonter cette limitation pour découpler le processus d'impression de la mise en forme est une étape importante vers des matériaux plus utiles, dit Verduzco.
« Ces matériaux, une fois fabriqué, changera de forme de façon autonome, " a déclaré Verduzco. " Nous avions besoin d'une méthode pour contrôler et définir ce changement de forme. Notre idée simple était d'utiliser plusieurs réactions en séquence pour imprimer le matériau, puis dicter comment il changerait de forme. Plutôt que d'essayer de tout faire en une seule étape, notre approche donne plus de flexibilité dans le contrôle des formes initiales et finales et nous permet également d'imprimer des structures complexes."
L'ingénieur riz Rafael Verduzco et l'étudiant diplômé Morgan Barnes ont dirigé le développement d'une méthode pour imprimer en 3D des matériaux qui se transforment d'une forme à une autre grâce à l'application de la température, courant électrique ou tension. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Le défi du laboratoire était de créer une « encre » polymère à cristaux liquides qui incorpore des ensembles mutuellement exclusifs de liaisons chimiques entre les molécules. On établit la forme imprimée originale, et l'autre peut être réglé en manipulant physiquement le matériau imprimé et séché. Le durcissement de la forme alternative sous la lumière ultraviolette verrouille ces liens.
Une fois les deux formes programmées définies, le matériau peut alors se transformer d'avant en arrière lorsque, par exemple, il est chauffé ou refroidi.
Les chercheurs devaient trouver un mélange de polymères pouvant être imprimé dans un bain de catalyseur tout en conservant sa forme programmée d'origine.
« Il y avait beaucoup de paramètres que nous devions optimiser, à partir des solvants et du catalyseur utilisés, au degré de gonflement, et formule d'encre - pour permettre à l'encre de se solidifier suffisamment rapidement pour imprimer sans inhiber l'actionnement de la forme finale souhaitée, " dit Barnes.
Un graphique montre le processus par lequel un laboratoire de l'Université Rice utilise l'impression 3D pour fabriquer des matériaux à changement de forme qui peuvent être utiles pour fabriquer des robots mous ou des implants biomédicaux. Crédit :Laboratoire Verduzco/Université du riz
Une limitation restante du processus est la possibilité d'imprimer des structures non prises en charge, comme des colonnes. Pour ce faire, il faudrait une solution qui gélifie juste assez pour se soutenir pendant l'impression, elle a dit. L'acquisition de cette capacité permettra aux chercheurs d'imprimer des combinaisons de formes beaucoup plus complexes.
"Les travaux futurs optimiseront davantage la formule d'impression et utiliseront des techniques d'impression assistées par échafaudage pour créer des actionneurs qui font la transition entre deux formes complexes différentes, " a déclaré Barnes. " Cela ouvre la porte à l'impression de robots souples qui pourraient nager comme une méduse, sauter comme un grillon ou transporter des liquides comme le cœur."
