A nova técnica de impressão 3D reproduction as delicadas fibras da natureza com precisão

Os pesquisadores tentam encontrar novas maneiras de produzir e replicar os vários recursos úteis observados na natureza. Cabelos finos e fibras, de natureza onipresente, são úteis para várias aplicações que variam de cabelos sensoriais às fibras que dão Hagfish Slime sua consistência única.

Os professores de Mechse Sameh Tawfick e Randy Ewoldt, o candidato de doutorado M. Tanver Hossain e os colaboradores externos atenderam a essa necessidade com sua técnica de impressão 3D incorporada, publicada recentemente em Comunicações da natureza. Deles artigo“Impressão 3D rápida de fibras finas, contínuas e macias por meio de troca de solventes incorporadas”, discute a ciência por trás de sua abordagem bioinspirada à impressão rápida de fibras finas em gel.

Diferentemente dos métodos tradicionais de impressão 3D, nos quais o materials é depositado camada por camada no ar ambiente, o materials de depósitos de impressão 3D incorporado em um meio de suporte, como o hidrogel. Ao imprimir no ar, os modelos devem ser orientados para que cada camada possa suportar a camada subsequente ou, para estruturas com arquitetura complexa, estruturas de suporte removíveis podem ser impressas e posteriormente descartadas.

A impressão em gel nega a necessidade dessas estruturas, pois o próprio gel suporta a forma do materials impresso – permitindo formas complexascomo molas helicoidais, a serem impressas com mais eficiência. Além disso, a peça impressa pode ser curada e depois removida do gel, permitindo que o gel seja reutilizado para várias impressões.

No entanto, a impressão 3D incorporada anteriormente lutou para a impressão de recursos muito finos, que lembravam a impressão 3D no ar. Os filamentos abaixo de um diâmetro de dezesseis micron seriam rapidamente antes do processo de cura devido à tensão superficial. A equipe de pesquisa queria imprimir diâmetros mais finos para combinar com as fibras encontradas na natureza, como a seda produzida por aranhas ou o fio defensivo viscoso extrudado por Hagfish.

“Na natureza, existem muitos exemplos de estruturas filamentosas que atingem um diâmetro de apenas alguns microns”, disse Hossain, que é o segundo autor e se concentrou em projetar o gel não-newtoniano. “Sabíamos que tinha que ser possível.”

Os pesquisadores empregaram um método de troca de solventes para inibir a separação capilar da tensão superficial. “Modificamos o gel e a tinta impressa para que a tinta curasse assim que seja depositada no gel”, disse Hossain. “Isso impede que o filamento se encaixe porque é quase instantaneamente sólido”. Através dessa abordagem, a equipe alcançou uma resolução de 1,5 microns. Eles também experimentaram a impressão através de vários bicos em paralelo, permitindo a fabricação rápida.

O primeiro autor Dr. Wonsik Eom, agora membro do corpo docente do Departamento de Engenharia de Materials de Convergência de Fibra da Universidade de Dankook, na Coréia do Sul, é ex -pesquisador de pós -doutorado no laboratório de Tawfick.

“Esta pesquisa supera uma limitação de longa information da tecnologia de impressão 3D-imprimindo materiais macios com um diâmetro tão pequeno quanto um micron”, disse Eom, que se concentrou em projetar o processo de troca de solventes. “A obtenção de uma resolução de impressão tão alta significa que agora temos a base tecnológica para imitar as microfibras e as estruturas semelhantes a cabelos encontradas na natureza, que exibem funcionalidades notáveis”.

Os pesquisadores se interessaram por impressão 3D incorporada devido ao seu potencial de replicar as propriedades do lodo de Hagfish, que exibe desempenho mecânico superior a outros géis devido à presença de feixes de threads em escala de mícrons. Ewoldt estuda a mecânica do lodo de Hagfish há mais de uma década com o professor de colaborador externo Douglas Fudge, da Universidade de Chapman.

“Adotamos a impressão 3D incorporada como um método para imitar esses fios”, disse Eom. “Através de nossa pesquisa, descobrimos que o desenvolvimento de 3D incorporado de alta resolução Tecnologia de impressão Permite -nos replicar uma gama muito mais ampla de estruturas naturais do que esperávamos inicialmente “.

“Este estudo está relacionado à visão mais ampla de pesquisa do meu grupo-para permitir a nova funcionalidade de engenharia usando o complexo comportamento mecânico de fluidos e sólidos macios não-newtonianos”, disse Ewoldt sobre seu interesse no trabalho. “Essa perspectiva se integra em áreas fundamentais da mecânica, da mecânica de fluidos a mecânica sólida e comportamento intermediário”.

“O significado desse método é produzir muitas geometrias de cabelos, sem ter que lidar com a força descendente da gravidade em cabelos tão finos e flexíveis”, disse Tawfick, que trabalhou para mostrar a utilidade e várias aplicações do método. “Isso nos permite produzir cabelos 3D complexos, tendo diâmetros finos, usando uma impressora 3D Ultraprecise”.

Através de sua técnica, os pesquisadores planejam buscar o desenvolvimento mais avançado de materiais.

“Esse método possui potencial significativo, pois fibras ultrafinas e longas podem ser combinadas com materiais funcionais para permitir a replicação de estruturas fibrosas inspiradas na natureza”, disse Hossain.

“Estamos particularmente interessados ​​em imprimir microestruturas finas que não podem ser realizadas hoje usando técnicas convencionais de fabricação de semicondutores”, disse Eom.