隨著3-D打印技術逐漸成為一種主流的制造技術，工業(yè)和學術研究人員一直致力于研究一種加熱或浸入水中后會自發(fā)折疊成有用的三維形狀的可打印的結構。
在美國化學協(xié)會期刊《應用材料和界面》上刊登的一篇論文中，麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)的研究人員報告了一些新的發(fā)現：一種一旦其從打印平臺上剝離它就開始自行折疊起來的可印刷的結構。
研究人員表示，這種無需任何外部刺激就可以自行折疊的設備的一個重大優(yōu)勢是它們可以應用到更多的材料以及更精細的結構中去。
折疊可打印的膨脹聚合物
通過新方法得到的一種一旦脫離打印平臺就開始自行折疊的可打印結構。圖片來源：麻省理工學院
這篇文章的第一作者，麻省理工學院電氣工程和計算機科學研究生SubramanianSundaram說：“如果人們想添加一些印刷電子元件，通常會選用一些有機材料，因為大多數印刷電子元件都會依賴于有機材料。然而這些材料通常對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，因為這些操作都會使電子器件的性能大幅減弱。”
為了說明這一想法，研究人員構建了一個自折疊可打印設備的原型，其中包括電引線和當施加電壓時從透明變?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候宣布的“可印刷金甲蟲”的變形，開始看起來像字母“H”。但是，H的每個腿都在根部和中間向兩個不同的方向折疊，最后形成一個桌面的形狀。
為了表明他們可以精確控制關節(jié)折疊的角度研究人員還制作立了幾個不同版本的基本形狀相同的鉸鏈。在測試中，他們通過將鉸鏈固定在負重載來強制地拉直鉸鏈，而當載荷被移除時，鉸鏈就會恢復到原來的折疊狀態(tài)。
預計在短期內，該技術就可以實現傳感器、顯示器或天線的精細化制造，而所得到的產品功能則取決于它們的三維形狀。長期來看，研究人員認為制造可打印機器人也是有可能的。
Sundaram在文章中加入了其導師導師WojciechMatusik麻省理工學院電氣工程和計算機科學(EECS)的副教授的一些建議;MarcBaldo也是EECS的副教授，他專門從事于研究有機電子產品;DavidKim是馬特里克的計算制造小組的技術助理;RyanHayward是馬薩諸塞大學阿莫斯特分校的高分子科學與工程教授。
應力釋放
研究人員這項設計的關鍵是一種在凝固后要發(fā)生擴展的新型打印機墨水材料，這種特性是不同尋常的。大多數打印機墨水材料在固化時會略有縮小，這也是設計師經常需要面對的技術限制。
印刷設備通常會分層建立，在印刷原型中，麻省理工學院研究人員將擴展材料沉積在頂層或底部幾層的精確位置上。底層會微微地粘附在打印機平臺上，并且其粘合力足以使器件在層層裝配時保持平整。然而，一旦所完成的器件從平臺上剝離，由新材料制成的接頭會開始膨脹，將器件沿相反的方向彎曲。
和以往的許多技術突破一樣，這種新材料的發(fā)現對于計算機科學與人工智能實驗室研究人員來說是一個意外的驚喜。馬特里克計算機制造集團使用的大部分打印機材料是由聚合物組合起來的，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墨水的方法。
計算機科學與人工智能實驗室的研究人員在嘗試開發(fā)生產更加靈活的印刷墨水的過程中，無意中打到了一個固化后輕微膨脹的墨水。他們立即認識到擴展性聚合物的潛力，并開始嘗試混合物配方的修改，直到他們找到一個能建立起足夠擴張的接頭而可以將印刷品進行對折的配方。
為什么會這樣？原因有哪些？
Hayward對該文的貢獻是幫助麻省理工學院團隊解釋了材料的擴張。產生最強力膨脹的油墨包括幾個長分子鏈和一條非常短的分子鏈，由單體丙烯酸異辛酯組成。當墨水暴露于紫外線或“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，長鏈分子的接觸會產生相互纏結的分子剛性叢。
折疊可打印的膨脹聚合物
植物如金銀花(鳳仙花;俗稱別摸我)會巧妙地用壓力來使種子的彈射分散。該植物通過控制組織水合作用以內在壓力的形式在其種子莢中儲存能量。當輕輕觸動時，這些莢便會爆開來，并卷曲來發(fā)射種子。使用類似的概念，S.Sundaram及其同事展示了使用3D打印來制造具有特定區(qū)域殘余應力的扁平電子復合材料。圖片來源：麻省理工學院
當另一層材料沉積在第一層的頂部時，丙烯酸異辛酯的短鏈懸浮在頂部，液體層下沉到更低、剛性更強的層中。在那里，它們與較長的鏈相互作用以施加膨脹的力，其對印刷平臺的粘附性產生暫時性抵抗。
研究人員希望對材料發(fā)生擴展的原因可以有更多的理論認識，使他們能夠根據具體應用來設計材料，包括許多印刷聚合物固化后會有1%-3%的收縮典型材料。
北卡羅來納州立大學化學工程教授MichaelDickey說：“這項工作令人興奮，因為它提供了一種在三維物體上創(chuàng)建功能性電子設備的方法。通常，電子處理是在2D平面上完成的，需要一個平坦的表面。這里提供了一種使用更傳統(tǒng)的平面技術在2-D表面上創(chuàng)建電子設備的原件，然后將其轉換為3-D形狀，同時保持電子元件的功能，這種轉變是通過印刷過程中在材料中產生應力的巧妙方法所發(fā)生的。
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