隨著3-D打印技術(shù)逐漸成為一種主流的制造技術(shù)，工業(yè)和學(xué)術(shù)研究人員一直致力于研究一種加熱或浸入水中后會(huì)自發(fā)折疊成有用的三維形狀的可打印的結(jié)構(gòu)。
在美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)期刊《應(yīng)用材料和界面》上刊登的一篇論文中，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的研究人員報(bào)告了一些新的發(fā)現(xiàn)：一種一旦其從打印平臺(tái)上剝離它就開(kāi)始自行折疊起來(lái)的可印刷的結(jié)構(gòu)。
研究人員表示，這種無(wú)需任何外部刺激就可以自行折疊的設(shè)備的一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)是它們可以應(yīng)用到更多的材料以及更精細(xì)的結(jié)構(gòu)中去。
折疊可打印的膨脹聚合物
通過(guò)新方法得到的一種一旦脫離打印平臺(tái)就開(kāi)始自行折疊的可打印結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院
這篇文章的第一作者，麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生SubramanianSundaram說(shuō)：“如果人們想添加一些印刷電子元件，通常會(huì)選用一些有機(jī)材料，因?yàn)榇蠖鄶?shù)印刷電子元件都會(huì)依賴(lài)于有機(jī)材料。然而這些材料通常對(duì)濕度和溫度都非常地敏感，所以如果你的這些電子元件和零件需要折疊，你肯定不想將它們浸在水中或者加熱它們，因?yàn)檫@些操作都會(huì)使電子器件的性能大幅減弱。”
為了說(shuō)明這一想法，研究人員構(gòu)建了一個(gè)自折疊可打印設(shè)備的原型，其中包括電引線(xiàn)和當(dāng)施加電壓時(shí)從透明變?yōu)椴煌该鞯木酆衔?ldquo;像素”。該裝置是Sundaram及其同事今年早些時(shí)候宣布的“可印刷金甲蟲(chóng)”的變形，開(kāi)始看起來(lái)像字母“H”。但是，H的每個(gè)腿都在根部和中間向兩個(gè)不同的方向折疊，最后形成一個(gè)桌面的形狀。
為了表明他們可以精確控制關(guān)節(jié)折疊的角度研究人員還制作立了幾個(gè)不同版本的基本形狀相同的鉸鏈。在測(cè)試中，他們通過(guò)將鉸鏈固定在負(fù)重載來(lái)強(qiáng)制地拉直鉸鏈，而當(dāng)載荷被移除時(shí)，鉸鏈就會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的折疊狀態(tài)。
預(yù)計(jì)在短期內(nèi)，該技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)傳感器、顯示器或天線(xiàn)的精細(xì)化制造，而所得到的產(chǎn)品功能則取決于它們的三維形狀。長(zhǎng)期來(lái)看，研究人員認(rèn)為制造可打印機(jī)器人也是有可能的。
Sundaram在文章中加入了其導(dǎo)師導(dǎo)師WojciechMatusik麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)(EECS)的副教授的一些建議;MarcBaldo也是EECS的副教授，他專(zhuān)門(mén)從事于研究有機(jī)電子產(chǎn)品;DavidKim是馬特里克的計(jì)算制造小組的技術(shù)助理;RyanHayward是馬薩諸塞大學(xué)阿莫斯特分校的高分子科學(xué)與工程教授。
應(yīng)力釋放
研究人員這項(xiàng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是一種在凝固后要發(fā)生擴(kuò)展的新型打印機(jī)墨水材料，這種特性是不同尋常的。大多數(shù)打印機(jī)墨水材料在固化時(shí)會(huì)略有縮小，這也是設(shè)計(jì)師經(jīng)常需要面對(duì)的技術(shù)限制。
印刷設(shè)備通常會(huì)分層建立，在印刷原型中，麻省理工學(xué)院研究人員將擴(kuò)展材料沉積在頂層或底部幾層的精確位置上。底層會(huì)微微地粘附在打印機(jī)平臺(tái)上，并且其粘合力足以使器件在層層裝配時(shí)保持平整。然而，一旦所完成的器件從平臺(tái)上剝離，由新材料制成的接頭會(huì)開(kāi)始膨脹，將器件沿相反的方向彎曲。
和以往的許多技術(shù)突破一樣，這種新材料的發(fā)現(xiàn)對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室研究人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)意外的驚喜。馬特里克計(jì)算機(jī)制造集團(tuán)使用的大部分打印機(jī)材料是由聚合物組合起來(lái)的，大分子由鏈狀單分子組分或單體組成。而這些組件混合的方法正是一種用于創(chuàng)建具有特定物理特性的打印機(jī)墨水的方法。
計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室的研究人員在嘗試開(kāi)發(fā)生產(chǎn)更加靈活的印刷墨水的過(guò)程中，無(wú)意中打到了一個(gè)固化后輕微膨脹的墨水。他們立即認(rèn)識(shí)到擴(kuò)展性聚合物的潛力，并開(kāi)始嘗試混合物配方的修改，直到他們找到一個(gè)能建立起足夠擴(kuò)張的接頭而可以將印刷品進(jìn)行對(duì)折的配方。
為什么會(huì)這樣？原因有哪些？
Hayward對(duì)該文的貢獻(xiàn)是幫助麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)解釋了材料的擴(kuò)張。產(chǎn)生最強(qiáng)力膨脹的油墨包括幾個(gè)長(zhǎng)分子鏈和一條非常短的分子鏈，由單體丙烯酸異辛酯組成。當(dāng)墨水暴露于紫外線(xiàn)或“固化”(通常用于3-D印刷以硬化作為液體沉積的材料的工藝)時(shí)，長(zhǎng)鏈分子的接觸會(huì)產(chǎn)生相互纏結(jié)的分子剛性叢。
折疊可打印的膨脹聚合物
植物如金銀花(鳳仙花;俗稱(chēng)別摸我)會(huì)巧妙地用壓力來(lái)使種子的彈射分散。該植物通過(guò)控制組織水合作用以?xún)?nèi)在壓力的形式在其種子莢中儲(chǔ)存能量。當(dāng)輕輕觸動(dòng)時(shí)，這些莢便會(huì)爆開(kāi)來(lái)，并卷曲來(lái)發(fā)射種子。使用類(lèi)似的概念，S.Sundaram及其同事展示了使用3D打印來(lái)制造具有特定區(qū)域殘余應(yīng)力的扁平電子復(fù)合材料。圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院
當(dāng)另一層材料沉積在第一層的頂部時(shí)，丙烯酸異辛酯的短鏈懸浮在頂部，液體層下沉到更低、剛性更強(qiáng)的層中。在那里，它們與較長(zhǎng)的鏈相互作用以施加膨脹的力，其對(duì)印刷平臺(tái)的粘附性產(chǎn)生暫時(shí)性抵抗。
研究人員希望對(duì)材料發(fā)生擴(kuò)展的原因可以有更多的理論認(rèn)識(shí)，使他們能夠根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)材料，包括許多印刷聚合物固化后會(huì)有1%-3%的收縮典型材料。
北卡羅來(lái)納州立大學(xué)化學(xué)工程教授MichaelDickey說(shuō)：“這項(xiàng)工作令人興奮，因?yàn)樗峁┝艘环N在三維物體上創(chuàng)建功能性電子設(shè)備的方法。通常，電子處理是在2D平面上完成的，需要一個(gè)平坦的表面。這里提供了一種使用更傳統(tǒng)的平面技術(shù)在2-D表面上創(chuàng)建電子設(shè)備的原件，然后將其轉(zhuǎn)換為3-D形狀，同時(shí)保持電子元件的功能，這種轉(zhuǎn)變是通過(guò)印刷過(guò)程中在材料中產(chǎn)生應(yīng)力的巧妙方法所發(fā)生的。
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