UCSD研究人员3D打印可变形液晶弹性体

UCSD研究人员3D打印可变形液晶弹性体

2020-10-06 16:53:20 12

圣地亚哥加州大学材料科学与工程学院(UCSD)的材料科学与工程学研究组仔细研究了液晶弹性体的质量,以便找出如何用该材料制作出具有可变形形状的3D打印结构。这一成果将使人造肌肉、软性机器人和可穿戴设备更容易控制和制造形状。它们从具有不同强度(收缩能力和刚度)的材料中得到灵感,灵感来自我们周围世界的真实例子,比如乌贼的喙,它的尖端的确很硬,但在某些地方,它的韧性和柔软性更强。与头足类动物的嘴相连。

王自军、王志坚、岳政、何其光、王阳、蔡胜强等人在《科学进展》杂志上发表了一篇关于他们的研究论文,题目是“功能梯度液晶弹性体三维打印”。

研究者们用LCE制作的两层不同性质的3D打印结构显示,这使材料有更大的驱动自由度。

“液晶弹性体(LCE)作为一种极具发展前景的驱动材料,已经被广泛地应用于各种有源结构和器件中。”最近,直接油墨印刷技术被发展出来,用于印刷具有不同几何形状和致动行为的LCE结构。虽然打印LCE技术有了很大的进步,但打印三维(3D)LCE结构的渐变属性仍然是一个挑战。本文介绍了一种简单的调整LCE印刷细丝的致动行为和机械性能的方法,即改变印刷参数。在综合处理-结构-属性关系的基础上,提出了打印功能级LCE的简单策略,极大地增加了创造活动变形结构的设计空间。

3D打印机

核壳组成3D打印LCE灯丝;为了了解如何控制其材料性质,研究人员发现印后外壳迅速变硬并冷却,但冷却核心所需的时间更长,因此可以保存更久。

他是本论文的第一作者,同时也是蔡氏研究所的博士研究生。“3D打印是一个很好的工具,它能做很多不同的事情,现在,我们可以打印出可以根据需要进行压缩和硬化的结构,这甚至更好。”在这个例子中,某种刺激就是热。”

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LCE的DIW印刷具有可调节的热力学性能。LCE公司的DIW打印装置示意图。将LCE墨水加热至温度T并挤入管子内。在打印时,喷嘴以V型的速度运动,喷嘴到底板的距离是h。液晶元件首先沿着打印路径对齐,因为挤压过程产生了剪切力。经过一定时间,挤压出的LCE长丝冷却到室温,其内部形成了核壳结构。这个外壳比内核冷却得更快。因此,由于材料的高粘度,壳体中排列良好的液晶单元被暂时固定,而液晶单元在内核中具有较长的重定向时间。墨水中未交联的液晶低聚物的分子结构。LCE油墨和固化LCE油墨的DSC痕迹。不同温度下墨水粘度与剪切速率之间的关系。(E)LCE丝光的偏光显微镜(POM)图像,打印温度不同。尺码,0.5毫米

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问题在于,研究人员发现,很容易通过印刷温度控制LCE的驱动程度,而且通过将材料与热接触,他们也能控制同一材料的不同区域的硬度。通过改变印刷参数(特别是温度),LCE可以调节材料的力学性能:温度越高,LCE的弹性越大。

研究者写道:“通过控制打印参数,如打印温度、喷嘴尺寸、喷嘴到底板的距离等,我们能够打印出包括致动应变、致动应力和机械刚度等在内的LCE材料。

用直接墨水书写(DIW)打印出104°F的LCE盘,然后把它放进热水里,加热至194°F,然后变成圆锥形。但研究人员发现,当加热LCE盘时,它包含不同温度的打印区域,会变形成不同的形状。

在圣地亚哥加州大学雅各布斯工程学院机械和航空航天工程系的教授蔡说:“基于LCE丝线的特性和印刷参数之间的关系,可以方便地构造材料的渐变特性。”

有六片花瓣的3D打印LCE双层结构。印刷前,将荧光染料RhB加入油墨中,在365nmUV的光线下拍摄。每一个花瓣由两层LCE组成,虽然打印路径不同,但是参数相同。在两个图层之间的路径有90°角。在90°C的热水中浸泡两层结构,所有的花瓣都会扭曲。(B至D)沿长度方向,双层花瓣排列顺序相同。类似地,在底层,LCE以最小的驱动应变打印。对花瓣顶部而言,驱动应变在(B)中是均匀的,但是在(C)和(D)中有一个自定义梯度。在90摄氏度的热水中浸泡两个结构体时,(B)到(D)之间的弯曲形状各不相同。用FEA模拟计算印刷双层结构的变形形状。应力场呈现不同的颜色。渐变型印刷策略增加了活动变形结构设计空间。尺度,20毫米。

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它们也印刷出格子结构和带有两个LCE层的结构,每一层都有不同的性质,表明这种材料将有更高的致动自由度。另外,热水并非研究人员用于激活材料致动的惟一手段:他们还向LCE中注入热敏粒子,或可将吸收的光转化为热的粒子,如石墨烯或黑墨粉。

在概念验证方面,该方法包括使用墨水打印在打印过程中调整过的LCE管,该小组演示了在高温下驱动时,LCE管与刚性玻璃板之间的粘合时间更长,而与具有“均匀特性”的管之间的粘合时间更长。

研究人员写到:“我们进一步证明,通过梯度打印,可致动LCE管与硬质玻璃板界面附近的应力集中得到缓解。”

这个特殊的发现可以帮助改进机械手和脚的制造。

演示了活动LCE管与玻璃板接触面附近应力集中的缓解。均质LCE管印在一块刚性的玻璃板上。加热到94摄氏度的温度时,管子就与板子分开了。在硬玻璃板上印有“LCE”渐变特性的LCE管。随着温度上升到94℃,管子就会一直粘着在玻璃面板上。对具有均匀特性(L)和渐变特性(R)的94°C钢管应力场进行了有限元分析。应力场呈现不同的颜色。尺度,20毫米。

当研究者确定了如何更有效、更精确地调整材料性能后,他们将集中精力改进LCE油墨,使其能够制作出可重新编程甚至自我修复的3D打印结构。


标签: 3D打印
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