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《前沿 | 中山大学实现多材料高精度4D打印多彩结构色》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2023-10-18

  • 近日，中山大学材料科学与工程学院副教授郭双壮团队制备了具有光敏活性的可打印结构色墨水，结合实验室自建的高精度多材料直写打印系统，成功实现了多彩结构色的溶剂挥发墨水直写打印。相关成果发表于Small。

    “该研究实现的打印策略能在大范围内实现对打印分辨率的精准控制与复杂图案的高精度打印，并能够灵活地与多种可打印功能材料体系集成。”论文第一作者、中山大学材料科学与工程学院2020级硕士研究生毕燃表示，未来可在仿生机器人、信息存储、柔性传感和信号检测方面得到应用。

    据悉，郭双壮团队创新性地将结构色材料集成至仿生机器人的制造中，在传统磁控柔性机器人表面打印结构色涂层，制备了一系列具有仿生结构色外观及无束缚变形能力的多维度仿生蝴蝶，展现了这种结构色材料3D打印策略在仿生机器人及其他需要先进表面着色方式的系统中的应用前景。

    该研究以向列相液晶RM 267、手性掺杂剂LC 756和扩链剂EDDET为原料通过迈克尔加成反应制备了具有光敏活性的胆甾相液晶弹性体低聚物，并添加二氯甲烷作为稀释剂制备了可打印墨水。通过探究墨水直写打印过程中打印速度、打印压力及针头直径对打印墨水细丝直径的影响，构建数学关系，实现了在大范围内（52.54~436.27 μm）对打印分辨率的高度控制。

    “基于对分辨率和颜色的良好控制，可以实现对复杂设计图案的高还原度打印。”论文通讯作者郭双壮表示，针对不同图案的尺寸特点选取恰当的分辨率，则可实现对同一图案的缩放式打印。此外，多材料墨水直写3D打印系统对多墨水打印技术的支持使不同颜色的墨水能在一个打印过程中依次打印，实现彩色图案的快速制造。

    除了多色打印，多墨水打印技术还使结构色材料与多功能材料的集成式打印成为可能。此外，打印的结构色液晶弹性体还具有热响应性，加热即可发生定向形变，呈现出4D打印效果。

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    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-03-31
    • 2020年3月27日，南极熊注意到学术杂志《Advanced Science》上发表了一篇华中科技大学史玉生教授团队的文章，论文题目为“A Material Combination Concept to Realize 4D Printed Products with Newly Emerging Property／Functionality”，文章提出了一种材料组合概念，来构造属性／功能可控地的4D打印物体。 4D打印是一种新兴技术，打印出的结构形状，特性或功能可以在外部刺激下随时间可控地变化。但是，大多数现有的4D打印产品都只关注其几何形状的变化，而不管其属性以及实用功能的可控变化。 史玉生教授团队再论文中提出了一种材料组合概念，来构造属性／功能可控变化的4D打印装置。 该装置由导电和磁性部件组成，集成后的装置可以显示压电特性。因此，基于电磁引入原理，装置被赋予将机械能转换为电能的能力。 通过使用Comsol软件的数值模拟方法来解释4D打印装置的工作机制，通过调节各种参数来促进其性能的进一步优化。由于具有自供电，快速响应和灵敏的特性，因此4D打印的磁电装置可以用作压力传感器来警告非法入侵。这项工作开启了柔性磁电器件的新制造方法，并为属性更改和功能更改的4D打印提供了新的材料组合概念。 图1 从上图中，我们可以进一步理解作者提出的材料组合概念，零件A是一个多孔结构，使用TPU／NdFeB 混合的材料，通过选择性激光烧结（SLS）工艺制造，零件A经过磁化后可以获得永久磁性；零件B包含两个平板和一个螺旋结构，使用316L不锈钢粉末材料，通过选择性激光熔化（SLM）工艺制造。 将零件A和零件B进行组装，可将机械压力转换为电信号的柔性集成磁电器件。新出现的自供电压电特性在施加的压力下表现出可控的变化。此外，该装置还显示出可以用作压力敏感显示器的新功能。可以通过数值模拟从理论上解释工作机理，通过调节磁粉含量，磁场方向，压缩率和其他因素来促进其性能的进一步优化。由于具有自供电的压电特性，这些柔性磁电设备可以用作智能压力传感器来警告非法入侵。这项工作为4D打印设备的材料和结构设计奠定了基础，该装置除了具有形状变化之外还具有新的特性和功能。它将扩展4D打印领域的众多功能应用，例如柔性传感器。 图2 上图中 a，e示出了具有40wt％ NdFeB含量、尺寸为25×12．5×12．5mm 的磁性多孔结构（零件A）的照片。d显示了其CAD模型。 f 是多孔结构的SEM图像，显示了已打印的TPU ／ NdFeB网格结构的连接部分，NdFeB粉末均匀地分散在TPU基质支架上。 由于打印的多孔／螺旋设计和TPU材料的弹性，组合的磁电装置可以轻松压缩，然后迅速恢复到原始形状。由于螺旋结构中的磁通量在压缩／恢复过程中发生变化，因此可以产生电输出。 进一步的研究显示，磁化后，具有不同NdFeB含量（20、30和40 wt％），磁场方向（垂直和水平）以及高度（25、20和15 mm）的SLS打印的磁性多孔结构显示出不同的磁感应强度。磁感应强度主要取决于NdFeB粉末的含量。 NdFeB的含量越高，磁场强度越强。如果磁粉含量过度增加（＞ 40 wt％），则TPU的量将太少而无法制造具有足够机械性能的多孔结构。在40％（重量）的NdFeB磁性多孔结构的北／南极，磁场强度约为11．1 mT。多孔结构的垂直和水平边缘的磁场强度显示出显著差异。这是由于磁化后两个方向上磁力线的密度不同。 与早期报道的将热能转换为机械能的4D打印产品不同，本研究中准备好的4D打印设备显示了将外部机械压力转换为电输出的压电能力，尽管它们的两个部件都不是压电的。由于存在磁性TPU ／ NdFeB结构，磁场线将穿过磁性部分旁边的导电线圈。在外力驱动的压缩／恢复周期中，线圈中的磁通量会相应变化，从而基于电磁感应原理导致发电。在这个概念中，打印设备的属性以及功能在施加的外部压力下发生了变化，展现了4D打印的概念进步。 图3 当改变多孔结构的磁场方向（以垂直和水平为例）时，柔性磁电器件获得不同的电压输出。结果如上图所示，其中涉及到很多计算公式的推导，研究该领域的熊友请直接查看论文原文。 图4 此外，作者还研究了众多参数变化对该装置的影响，比如：零件B高度的增加肯定会导致输出电压的上升。然后，以NdFeB含量为30 wt％的集成器件为例，将多孔结构和螺旋结构之间的距离d调整为1到3 mm，从而导致进入线圈的磁通量变弱（图4b） 。结果，输出电压从5．7降至2．0 μV（图4d）。此外，还通过将设备高度从25 mm调整为15 mm来研究设备高度的影响（图S4c，S8，支持信息）。高度的降低导致磁粉含量的降低，从而削弱了磁感应强度。因此，输出电压值从5．7降至3．1 μV，如图S8c，支持信息所示。当高度减小时，螺旋结构的圈数也减少。图S8d（支持信息）显示，即使高度发生变化，每个线圈产生的输出电压也几乎等于0．8V。 还详细研究了各种测量参数，例如压缩率和应变。更多细节请查看原文。 结论 在这项工作中，通过组装SLS打印的磁性多孔结构和SLM打印的螺旋结构，实现了一种新型的4D打印。与以前的4D打印品中的形状变形不同，我们的集成4D打印装置在施加的外部压力下显示出可控地改变的压电特性，以及用作自供电压敏显示器的新功能。由于螺旋线中的磁通量变化，组装的磁电装置可以在外部压力下产生电脉冲，从而可用于感知压力。在材料和结构的新颖设计的基础上，由外部压力产生的形状变化导致发电性能的可控变化和新功能的出现。因此，我们实现了三种形式的4D打印，同时包含形状，特性和功能的变化。对于4D打印磁电器件，NdFeB粉末的含量，磁场方向，多孔结构和螺旋结构之间的距离，压缩速度和压缩比等几个参数都会影响磁导率。输出电压值。在最佳条件下，适用于智能自供电压力传感器的集成4D打印设备可以产生11．8 μV的输出电压。相信这项工作可以通过提出一种材料组合概念，为性能改变和功能改变的4D打印奠定基础。我们期待扩展我们的4D打印磁电设备的应用。 论文作者：Hongzhi Wu Xuan Zhang Zheng Ma Ce Zhang Jingwei Ai Peng Chen Chunze Yan Bin Su Yusheng Shi
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  • 《前沿 | 使用形状记忆聚合物进行快速4D打印》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2023-12-25
    • 形状记忆聚合物或变形材料是近年来在材料科学和生物医学工程领域受到广泛关注的智能材料，用于构建智能结构和设备。数字光处理是一种基于还原光聚合的方法，其技术速度明显更快，只需一步即可打印出完整的层，从而创建智能材料。 沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的电气和计算机工程以及核工程科学家团队开发了一种简单快速的方法，使用数字光打印3D打印机和定制树脂3D打印基于形状记忆聚合物的智能结构。 他们将液晶与树脂相结合，将形状记忆特性引入直接3D打印热响应结构，同时避免了树脂制备的复杂性。该团队打印了具有不同几何形状的结构，并测量了形状记忆响应。形状记忆聚合物可以方便地用作智能工具、玩具和超材料。 该论文发布在NPG Asia Materials杂志上。 形状记忆聚合物属于一类双形状智能聚合物，可以响应环境参数发生机械变形并恢复到原来的形状。形状记忆聚合物的回收取决于外部刺激的应用，如热、光、电、湿度和pH值变化。 这种材料是变形结构，近年来由于其多功能性和工业可行性而引起了相当大的兴趣。研究团队展示了通过数字光处理4D打印形状记忆聚合物;一种基于还原光聚合的3D打印方法。研究结果强调了3D打印复杂结构对各种应用的适用性。 研究团队通过研究形状诱导和恢复过程，研究了3D打印样品的形状记忆效应。该方法允许轻松和高分辨率地打印复杂的 3D 设计。这些结构在各种应用中都很有用，如灵活的智能贴片、尺寸可变的机械工具和可变形的玩具。在这项工作中，Alam及其同事开发了一种基于液晶与光固化树脂混合的形状记忆聚合物，以开发一种半结晶聚合物，并基于先前的研究描述了其作用机制。 该团队通过使用扫描电子显微镜观察了有或没有液晶的3D打印横截面的内部形态。然后，他们观察了形状记忆聚合物相对于其承重后恢复能力的反应。本工作展示了 3D 数字光处理对创建具有 4D 效果的形状记忆聚合物的影响。科学家们量化了形状记忆响应，以显示恢复角与时间的比率。 研究人员探索了3D打印智能记忆聚合物的有前途的应用。为了实现这一目标，Alam及其同事通过对狗骨试样进行拉伸测试来确定材料的机械性能，以展示如何通过调节晶格结构的形状来调整印刷材料的机械性能。 他们通过进行有限元模拟证实了智能材料的机械可调性，并将实验结果与有限元分析的拉伸试验进行了比较。通过实验观察和仿真预测的二维晶格的力学性能一致。基于柔韧性和可拉伸性，Alam和团队测试了样品的应变测试和关节移动传感应用。 为了通过聚合物集成促进关节运动，科学家们应用了一种纳米银基导电涂层作为电极，这需要进一步优化打印参数。科学家们通过拉伸和压缩结构来测量电阻的变化，以促进患者的运动。 对所制备的晶格电极贴片的电阻测量结果表明，该贴片具有作为关节运动传感智能贴片的潜力;这可以应用于人类的膝盖、肘关节、假肢或真实肢体以感知运动。这种电极贴片可以在简单快速的制造工艺下根据患者的体型进行定制。 通过这种方式，Fahad Alam及其团队提出了一种3D打印智能材料的方法，首先使用形状记忆聚合物，通过数字光处理轻松快速地制造。科学家们定制了3D打印的物体，以创建随时间变化的结构，这被称为4D打印。他们通过将液晶与树脂相结合，并使用商用桌面打印机进行打印来实现这一目标。研究人员使用这种方法制造了各种复杂的物体，包括格子贴片、可折叠玩具、智能包装和机械扳手。 科学家们将这些物体置于高温下，暂时改变它们的形状，并用于随后的形状恢复应用。该团队使用拉伸测试来展示形状记忆聚合物的可调节性，以满足生物医学工程中的特定应用。这种 3D 打印晶格贴片非常适合关节运动应用中的应变传感。研究人员记录了3D打印智能贴片的电阻变化，以检测患者假肢关节和手臂的运动。
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