Método de impressão 3D cria plástico fantástico

Os engenheiros de Princeton desenvolveram uma técnica de impressão 3D facilmente escalável para fabricar plásticos macios com elasticidade e flexibilidade programadas que também são recicláveis ​​e baratos – qualidades normalmente não combinadas em materiais fabricados comercialmente.

Em um artigo no diário Materiais Funcionais Avançadosuma equipe liderada por Emily Davidson relatou que usou uma classe de polímeros amplamente disponíveis, chamados elastômeros termoplásticos, para criar estruturas macias impressas em 3D com rigidez ajustável.

Os engenheiros podem projetar o caminho de impressão usado pela impressora 3D para programar as propriedades físicas do plástico, de modo que um dispositivo possa esticar e flexionar repetidamente em uma direção enquanto permanece rígido em outra. Davidson, professor assistente de química e engenharia biológicadisse que essa abordagem para a engenharia de materiais de arquitetura suave poderia ter muitos usos, como robôs macios, dispositivos médicos e próteses, capacetes fortes e leves e solas de sapatos personalizadas de alto desempenho.

A chave para o desempenho do materials é a sua estrutura interna ao mais ínfimo nível. A equipe de pesquisa usou um tipo de copolímero em bloco que forma estruturas cilíndricas rígidas com 5 a 7 nanômetros de espessura (para comparação, o cabelo humano mede cerca de 90.000 nanômetros) dentro de uma matriz polimérica elástica.

Os pesquisadores usaram a impressão 3D para orientar esses cilindros em nanoescala, o que leva a um materials impresso em 3D que é duro em uma direção, mas macio e elástico em quase todas as outras. Os projetistas podem orientar esses cilindros em diferentes direções ao longo de um único objeto, levando a arquiteturas suaves que exibem rigidez e elasticidade em diferentes regiões de um objeto.

“O elastômero que usamos forma nanoestruturas que somos capazes de controlar”, disse Davidson. Isso permite aos designers um grande grau de controle sobre os produtos acabados. “Podemos criar materiais com propriedades personalizadas em diferentes direções.”

O primeiro passo no desenvolvimento deste processo foi escolher o polímero certo. Os pesquisadores escolheram um elastômero termoplástico, que é um copolímero em bloco que pode ser aquecido e processado como um polímero fundido, mas que se solidifica em um materials elástico quando esfria.

No nível molecular, os polímeros são longas cadeias de moléculas ligadas. Os homopolímeros tradicionais são longas cadeias de uma molécula repetida, enquanto os copolímeros em bloco são feitos de diferentes homopolímeros conectados entre si. Essas diferentes regiões de uma cadeia de copolímero em bloco são como óleo e água – elas se separam em vez de se misturarem. Os pesquisadores usaram essa propriedade para produzir materials com cilindros rígidos dentro de uma matriz elástica.

Os pesquisadores usaram seu conhecimento de como essas nanoestruturas de copolímero em bloco se formam e como respondem ao fluxo para desenvolver uma técnica de impressão 3D que induz efetivamente o alinhamento dessas nanoestruturas rígidas. Os pesquisadores analisaram a forma como a taxa de impressão e a subextrusão controlada poderiam ser usadas para controlar as propriedades físicas do materials impresso.

Alice Fergerson, estudante de pós-graduação em Princeton e principal autora do artigo, falou sobre a técnica e o papel basic desempenhado pelo recozimento térmico – o aquecimento e resfriamento controlados de um materials.

“Acho que uma das partes mais legais dessa técnica são as muitas funções que o recozimento térmico desempenha – ele melhora drasticamente as propriedades após a impressão e permite que as coisas que imprimimos sejam reutilizáveis ​​muitas vezes e até mesmo se auto-recuperem se o merchandise ficar danificado ou quebrado.”

Davidson disse que um dos objetivos do projeto period criar materiais macios com propriedades mecânicas localmente ajustáveis, de uma forma que fosse acessível e escalável para a indústria. É possível criar estruturas semelhantes com propriedades controladas localmente usando materiais como elastômeros de cristal líquido.

Mas Davidson disse que esses materiais são caros (mais de US$ 2,50 por grama) e exigem processamento em vários estágios, envolvendo extrusão cuidadosamente controlada seguida de exposição à luz ultravioleta. Os elastômeros termoplásticos usados ​​no laboratório de Davidson custam cerca de um centavo por grama e podem ser impressos em uma impressora 3D comercial.

Os pesquisadores demonstraram a capacidade de sua técnica de incorporar aditivos funcionais ao elastômero termoplástico sem reduzir a capacidade de controlar as propriedades do materials. Num exemplo, eles adicionaram uma molécula orgânica desenvolvida pelo grupo do professor Lynn Bathroom que faz o plástico brilhar em vermelho após exposição à luz ultravioleta. Eles também demonstraram a capacidade da impressora de produzir estruturas complexas e de múltiplas camadas, incluindo um pequeno vaso de plástico e texto impresso que usava curvas fechadas para soletrar PRINCETON.

O recozimento desempenha um papel basic em seu processo, aumentando a perfeição da ordem das nanoestruturas internas. Davidson disse que o recozimento também permite propriedades de autocura do materials. Como parte do trabalho, os pesquisadores podem cortar uma amostra flexível do plástico impresso e recolocá-la por meio do recozimento do materials. O materials reparado apresentou as mesmas características da amostra unique. Os pesquisadores disseram não ter observado “nenhuma diferença significativa” entre o materials unique e o reparado.

Como próximo passo, a equipe de pesquisa espera explorar novas arquiteturas imprimíveis em 3D que serão compatíveis com aplicações como eletrônicos vestíveis e dispositivos biomédicos.