Impressão 4D rápida com polímeros com memória de forma
Especificações de processamento de luz digital. A) Ilustração esquemática da preparação de um polímero com memória de forma utilizando um cristal líquido (RM257). B) Impressão DLP 3D da resina polimérica com memória de forma preparada. C) Fotografias digitais da estrutura em transformação de forma. D) Representação esquemática das etapas de programação da amostra impressa em 3D:(1) aquecimento, (2) resfriamento, (3) fixação em uma nova forma e (4) reaquecimento para recuperar a forma original. Crédito:NPG Asia Materials (2023). DOI:10.1038/s41427-023-00511-x Polímeros com memória de forma ou materiais que mudam de forma são materiais inteligentes que ganharam atenção significativa na ciência dos materiais e na engenharia biomédica nos últimos anos para construir estruturas e dispositivos inteligentes. O processamento digital de luz é um método baseado em fotopolimerização de cuba com tecnologia significativamente mais rápida para imprimir uma camada completa em uma única etapa para criar materiais inteligentes.
Fahad Alam e uma equipe de cientistas em engenharia elétrica e de computação e engenharia nuclear da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah, na Arábia Saudita, desenvolveram um método fácil e rápido para imprimir em 3D estruturas inteligentes baseadas em polímeros com memória de forma e impressão digital por luz. Impressora 3D e resina personalizada.
Eles combinaram um cristal líquido (um material que pode mudar de forma com a temperatura) com resina, para introduzir propriedades de memória de forma para imprimir estruturas termorresponsivas diretamente em 3D, evitando a complexidade da preparação da resina. A equipe imprimiu as estruturas com diferentes geometrias e mediu a resposta da memória de forma. Os polímeros com memória de forma podem ser convenientemente preparados para uso como ferramentas inteligentes, brinquedos e metamateriais.
O artigo foi publicado na revista NPG Asia Materials .
Polímeros com memória de forma
Os polímeros com memória de forma pertencem a uma classe de polímeros inteligentes de formato duplo que podem sofrer deformação mecânica e retornar à sua forma original em resposta aos parâmetros ambientais. A recuperação do polímero com memória de forma depende da aplicação de estímulos externos como calor, luz, eletricidade, umidade e alterações de pH.
Tais materiais são construções que mudam de forma e ganharam considerável interesse nos últimos anos devido à sua versatilidade e viabilidade industrial. A equipe de pesquisa demonstrou polímeros com memória de forma de impressão 4D por meio de processamento digital de luz; um método de impressão 3D baseado na fotopolimerização em cuba. Os resultados destacaram a adequação de estruturas complexas impressas em 3D para uma variedade de aplicações. As estruturas personalizadas impressas em 3-D passam por alongamento 4-D e mudanças de forma personalizadas em um ambiente aquoso ambiente. Crédito:Materiais da Nature Asia , doi:10.1038/s41427-023-00511-x Criando o efeito de memória de forma
A equipe de pesquisa investigou o efeito de memória de forma das amostras impressas em 3D, estudando o processo de indução e recuperação de forma. O método permitiu a impressão fácil e de alta resolução de designs 3D complexos. Essas construções são úteis em uma variedade de aplicações, como patches inteligentes flexíveis, ferramentas mecânicas de tamanho variável e brinquedos deformáveis. Neste trabalho, Alam e colegas desenvolveram um polímero com memória de forma baseado em um cristal líquido misturado com uma resina fotocurável, para desenvolver um polímero semicristalino e descreveram seu mecanismo de ação, com base em estudos anteriores.
A equipe observou a morfologia interna das seções transversais impressas em 3D com ou sem cristais líquidos por meio de microscopia eletrônica de varredura. Eles então observaram as respostas dos polímeros com memória de forma em relação à sua capacidade de recuperação após o suporte de carga. O presente trabalho mostrou a influência do processamento digital de luz 3D na criação de polímeros com memória de forma e efeitos 4D. Os cientistas quantificaram a resposta da memória de forma para mostrar a relação do ângulo de recuperação em função do tempo. Programação e recuperação das estruturas impressas em 3D e da capacidade portante da estrutura programada. Uma caixa dobrável. B Estrutura de transformação de embalagem inteligente. C Deformação e estados de recuperação de fibra impressa em 3D. D Capacidade de carga da estrutura programada impressa em 3D em forma de flor. E Fabricação de estrutura 3D mostrando a adequação do método na impressão de estruturas 2D e 3D. Crédito:Materiais da Nature Asia , doi:10.1038/s41427-023-00511-x Propriedades mecânicas ajustáveis
Os pesquisadores exploraram as aplicações promissoras de polímeros de memória inteligentes impressos em 3D. Para conseguir isso, Alam e colegas determinaram as propriedades mecânicas dos materiais conduzindo testes de tração em uma amostra de osso de cachorro, para mostrar como as propriedades mecânicas dos materiais impressos podem ser ajustadas regulando a forma das estruturas treliçadas.
Eles confirmaram a sintonia mecânica de materiais inteligentes conduzindo simulações de elementos finitos e compararam os resultados experimentais com testes de tração da análise de elementos finitos. Os desempenhos mecânicos das redes 2D observados por meio de experimento e previstos por meio de simulação concordaram. Com base na flexibilidade e elasticidade, Alam e sua equipe testaram as amostras para testes de deformação e para aplicações de detecção de movimento de juntas.
Para facilitar o movimento articular através da integração de polímeros, os cientistas aplicaram um revestimento condutor à base de nanoprata como eletrodo, o que exigiu maior otimização dos parâmetros de impressão. Os cientistas mediram as mudanças na resistência elétrica esticando e comprimindo a estrutura para facilitar o movimento dos pacientes.
Os resultados da medição de resistência do remendo de eletrodo de treliça preparado mostraram seu potencial para uso como um remendo inteligente para detecção de movimento articular; isso pode ser aplicado a um joelho humano, articulação do cotovelo, membro artificial ou membros reais para detectar movimento. Esses eletrodos podem ser personalizados de acordo com o tamanho do paciente em processos de fabricação fáceis e rápidos. Micrografias da seção transversal de amostras impressas em 3D observadas em MEV. A Somente resina e B LC misturada com resina. (a) e (b) são as posições ampliadas das micrografias destacadas com linhas amarelas pontilhadas de (A) e (B), respectivamente. Crédito:NPG Asia Materials (2023). DOI:10.1038/s41427-023-00511-x Perspectiva
Desta forma, Fahad Alam e sua equipe apresentaram um método para imprimir materiais inteligentes em 3D, primeiro usando polímeros com memória de forma para fabricação fácil e rápida por meio de processamento digital de luz. Os cientistas personalizaram os objetos impressos em 3D para criar estruturas que mudaram com o tempo, isso é conhecido como impressão 4D. Eles conseguiram isso combinando cristais líquidos com uma resina e imprimindo-os usando uma impressora comercial de mesa. Os pesquisadores usaram o método para fabricar uma variedade de objetos complexos, incluindo remendos de treliça, brinquedos dobráveis, embalagens inteligentes e chaves mecânicas.
Os cientistas submeteram esses objetos ao calor, para alterar temporariamente sua forma e para aplicações subsequentes de recuperação de forma. A equipe utilizou testes de tração para mostrar a natureza ajustável dos polímeros com memória de forma, para atender aplicações específicas em engenharia biomédica. Esses patches de treliça impressos em 3D são adequados para detecção de tensão em aplicações de movimento articular. Os pesquisadores registraram as mudanças na resistência elétrica do adesivo inteligente impresso em 3D para detectar o movimento nas articulações dos membros artificiais e nos braços dos pacientes.
