Pesquisadores em Epfl e Universidade de Uppsala desenvolveram uma nova técnica que permite a fabricação de materiais compósitos por meio de fabricação volumétrica de aditivos (VAM), superando limitações de longa information no campo. Publicado em Cartas de materiais da ACSo estudo demonstra como a infusão de hidrogel pós-impressão pode converter peças impressas transparentes em compósitos funcionais com alto teor de enchimento.
Superando restrições de transparência em VAM
Os processos de VAM exigem que a luz passe de maneira limpa através de um IVA de resina para polimerizar estruturas volumetricamente. Isso restringe a escolha do materials a fotopolímeros transparentes e exclui preenchimentos, que dispersam a luz. As resinas compostas, portanto, são principalmente incompatíveis com as tecnologias VAM atuais.
Para resolver isso, a equipe empregou xolografia, um método VAM que usa vigas de luz que se cruzam para definir zonas de polimerização dentro de um IVA. Em vez de imprimir com resinas cheias, eles imprimiram os hidrogéis transparentes primeiro e os infundiram com íons metálicos após a impressão. Os preenchimentos compostos foram então formados in situ por precipitação química, permitindo a criação de peças magnéticas e condutivas sem afetar a qualidade da impressão.
Compostos magnéticos e condutores com propriedades ajustáveis
Os pesquisadores demonstraram duas aplicações principais; As nanopartículas de óxido de ferro magnético (IONPs) foram cultivadas dentro dos hidrogéis usando sais de ferro e amônia. A carga de até 65% em peso foi alcançada, um marco significativo, dado o limite regular de 0,5% em peso para preenchimentos de dispersão de luz em VAM. Além disso, os compósitos de nanopartículas de prata foram criados por redução de nitrato de prata infundido, produzindo estruturas condutivas capazes de fechar os circuitos de LED.
Propriedades como força magnética, condutividade elétrica e comportamento mecânico podem ser ajustadas por temperatura variável, tempo de infusão e número de ciclos de reação. Enquanto as temperaturas mais altas melhoraram a magnetização, elas também reduziram a integridade estrutural, destacando uma troca entre desempenho e durabilidade.
Estruturas multimateriais e espacialmente controladas
Um dos aspectos mais inovadores do estudo foi a demonstração da transformação de materials localizada espacialmente. Ao infundir seletivamente regiões do hidrogel com íons metálicos antes da etapa de precipitação, os pesquisadores criaram estruturas multimateriais com zonas de atuação incorporadas.
Os dispositivos demonstradores incluíram um pêndulo com uma articulação magnética que poderia ser girada usando um ímã externo e uma estrutura de mola com comportamento responsivo impulsionado pela colocação de enchimento. Essa abordagem pode permitir robótica suave, dispositivos interativos ou estruturas inteligentes com funcionalidade específica do native, todas impressas como um único corpo, sem montagem.
Transformação pós-fabricação sobre a formulação de resina
Em vez de desenvolver novas misturas de resina para acomodar enchimentos durante a impressão, o método reformula o problema aplicando a química pós-fabricação. Uma única formulação de hidrogel se torna uma plataforma modular para diferentes funções compostas, simplificando o pipeline de desenvolvimento de materials.
Embora limitados pela degradação durante vários ciclos de infusão, os autores propõem a mudança para polímeros mais robustos quimicamente robustos para suportar aplicativos de maior desempenho.
Implicações mais amplas e direções futuras
Esta pesquisa pode desbloquear novas possibilidades em dispositivos biomédicos, sensores, robótica e eletrônica, onde materiais multifuncionais e liberdade geométrica são essenciais. A abordagem baseada em infusão também é compatível com outras plataformas de VAM, dependentes da transparência da resina, incluindo litografia multifotônica.
Uma patente foi arquivada para o processo, e os vídeos de suporte mostram controle remoto das estruturas compostas impressas, destacando seu potencial.
À medida que a impressão volumétrica continua a evoluir, esse método de infusão de hidrogel pode mudar como a indústria aborda a integração funcional do materials.
A fabricação aditiva volumétrica e baseada em hidrogel evoluir
A Fabricação Volumétrica de Aditivos (VAM) sofreu um rápido desenvolvimento nos últimos anos. No início deste ano, pesquisadores da EPFL revelaram um Plataforma holográfica de VAM baseada em MEMS Isso aproveita os micro-menores para melhorar a resolução, a eficiência energética e a escalabilidade, oferecendo uma atualização promissora para os sistemas de impressão tomográfica. Separadamente, o lançamento de Xolo do Xube² A impressora volumétrica estendeu o potencial comercial da Xolography, apoiando aplicativos de materiais macios para óptica.
Paralelamente, o Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá desenvolveu um Sistema de exposição automática para VAMmelhorando o controle do processo compensando as propriedades variáveis da resina e reduzindo a superexposição durante a cura.
Este último estudo de Ji et al. complementa esses avanços abordando uma limitação crítica de materials: a incompatibilidade dos processos convencionais de VAM com resinas compostas. Ao ativar a infusão pós-impressa e a síntese de nanopartículas in situ, os pesquisadores introduzem uma rota prática para a produção de compósitos funcionais, incluindo estruturas magnéticas, condutivas e espacialmente programáveis, dentro dos fluxos de trabalho do VAM.
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A imagem em destaque mostra o hidrogel impresso do VAM para o composto funcional. Imagem through ACS Supplies Lett.