Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST): Stampa multicolore 4D di polimeri a memoria di forma
I ricercatori dell’Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan (UNIST) portano la stampa 3D a un livello superiore, rilasciando i risultati del loro studio nel recente pubblicato ” Stampa multicolore 4D di polimeri a memoria di forma per riscaldamento selettivo indotto dalla luce e attuazione a distanza “.
Mentre i miracoli della stampa 3D continuano ad abbondare, la stampa in 4D consente agli utenti di lavorare con materiali che rispondono al loro ambiente, deformandosi di conseguenza e poi tornando alle loro forme iniziali e naturali. In questo studio, gli autori 4D stampano polimeri a memoria di forma multicolore (SMP) e dimostrano in che modo l’assorbimento della luce e il successivo riscaldamento del materiale causano l’attivazione remota.
Precedenti studi tendevano a focalizzarsi su come le SMP si deformano in presenza di calore o umidità, ma qui la luce viene utilizzata come una forza potente nel causare cambiamenti sensibili agli stimoli. Il riscaldamento selettivo è stato consentito a causa delle scelte nel colore della luce, con conseguenti trasformazioni strutturali dipendenti dal colore.
“La stampa 4D può consentire le geometrie complesse dei compositi multicolor con risposte prestabilite”, hanno affermato gli autori. “Inoltre, gli SMP possono essere riutilizzati più volte eseguendo nuovamente la programmazione termomeccanica. Pertanto, la stampa 4D multicolore di SMP può offrire vantaggi unici per i cambiamenti strutturali indotti dalla luce e l’attivazione a distanza. “
Per lo studio, gli autori hanno creato una struttura di attivazione della luce che misura L = 40 mm, w = 5,5 mm, t = 2 mm, a = 0,4 mm e realizzata con tre materiali:
Giallo (Veroyellow)
Blu (Verocyan)
Matrice celeste (Tango +)
Una struttura di attivazione della luce stampata in 3D. (a) Schema per la struttura SMP multicolore. (b) Vista laterale della struttura. (c) Programmazione termomeccanica e comportamento alla flessione (la linea tratteggiata nella figura è una guida oculare).
La luce è stata in grado di raggiungere sia le fibre gialle che blu grazie al posizionamento strategico delle fibre. Dopo la stampa 3D e la post-elaborazione, la struttura è stata piegata verso il basso, tornando alla sua forma iniziale dopo essere stata esposta alla luce blu. Attraverso la continua sperimentazione del riscaldamento selettivo dipendente dal colore, i ricercatori hanno capito che potevano manipolare l’attivazione attraverso sequenze di luce.
Comportamento alla flessione del campione multicolore. Una struttura programmata termomeccanicamente si piega a forma di n con illuminazione rossa. Dopo la flessione, la struttura può ripristinare uno stato iniziale piatto con illuminazione blu. Nel caso di illuminare prima la luce blu, la struttura si piega a forma di U. Può anche ripristinare lo stato iniziale con illuminazione a luce rossa. (a) è lo schema per l’attivazione in doppio passaggio, mentre (b) è il risultato sperimentale.
“L’applicazione della luce rossa in seguito ha fatto sì che l’intera struttura mantenga il suo stato iniziale piatto. Tuttavia, quando la struttura è stata riscaldata in acqua calda (invece del riscaldamento selettivo con luce colorata), il cambiamento di forma del nostro campione è stato insignificante (i dati non sono mostrati qui). Nell’acqua calda, sia gli SMP blu che quelli gialli hanno recuperato alla stessa velocità e l’intera struttura si è ridotta alla sua lunghezza originale ma è rimasta piatta (cioè non si è verificato alcun cambiamento di forma) “, hanno affermato i ricercatori.
“L’aumento della temperatura dovuto all’assorbimento diretto della luce blu era significativamente più piccolo di quello dovuto al trasferimento di calore. Pertanto, mostra che il fattore dominante che ha causato l’aumento di temperatura nelle fibre blu sullo strato inferiore è stato il calore trasferito dalle fibre gialle sullo strato superiore. “
(a) La variazione di temperatura misurata della struttura multicolore. La linea continua gialla è la temperatura delle fibre SMP gialle, mentre la linea tratteggiata blu indica la temperatura delle fibre SMP blu ottenute dalle simulazioni del trasferimento di calore. La linea continua rossa è la temperatura misurata delle fibre SMP blu in un campione di controllo che contiene solo fibre SMP blu. (b) Risultati di simulazioni di meccanica dei solidi. La barra dei colori indica lo spostamento totale misurato dal piano inferiore.
Le strutture piegate sono tornate a una forma piatta a causa del trasferimento di calore mentre erano illuminate; tuttavia, questo tipo di trasferimento di calore si è verificato anche dopo lo spegnimento della luce, evidenziato in seguito da un leggero rilassamento. I ricercatori hanno attribuito questa azione al calore residuo nella struttura, consentendo il rilassamento nella forma. Per evitarlo, hanno preso in considerazione l’aggiunta di uno strato termoisolante.
Il loro campione finale includeva una struttura incernierata pensata per la sperimentazione con attuazione a più fasi. Il team ha utilizzato fibre colorate SMP nelle cerniere, manipolando la deformazione attraverso i colori. Si è verificata una rapida trasformazione mentre hanno focalizzato la luce a LED sulla struttura con una lente focale.
Struttura a cerniera multicolore per azionamento a più stadi. (a) Schema per la struttura a cerniera multicolore. (b) Esempio di attuazione multistep. Questa struttura a cerniera può trasformarsi in diverse forme 3D a seconda del colore della luce e della durata dell’illuminazione.
“Gli SMP possono essere riutilizzati eseguendo nuovamente la programmazione termomeccanica e le loro temperature di risposta possono essere regolate mediante sintesi di materiale o miscelazione dinamica durante la stampa 3D. Inoltre, la stampa 4D può consentire la fabbricazione di geometrie complesse e multicolori per risposte su misura. Pertanto, la stampa 4D multicolore di compositi SMP ha meriti unici per i cambiamenti strutturali indotti dalla luce e l’attivazione a distanza “, hanno concluso i ricercatori.
