MIT发明可自动展开3D打印结构 未来或将用于复杂机器人制造

发布时间:2017-09-18


  以麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室专家为首的研究团队,近日在美国化学协会期刊《应用材料和界面》发表文章,宣称他们发明了一种3D打印结构:只要打印出来的薄层被从基板材料上剥离,薄层就会自己展开。

  该打印方法的优点,一方面在于打印薄层启动其展开过程无需任何外力,另一方面在于,其适用于不止一种3D打印耗材,并可被用于打印多种精细结构。

  参与研究的MIT电子工程和计算机科学研究生、文章第一作者Subramanian Sundaram表示:假如需要用3D打印制造可自行展开的电子器件,那么你需要选用一些有机材料——因为电路板是用有机材料制造的。然而,有机材料对湿度和温度很敏感,因此你不能用泡水或加热的方法来让电路板展开,否则它会损坏。

  除了Sundaram,论文其他作者包括MIT电子工程和计算机科学副教授Wojciech Matusik和Marc Baldo;Matusik领导的柔性计算团队的技术助理David Kim,马萨诸塞大学高分子科学和工程教授Ryan Hayward。

  为了展示这种方法,研究人员制造了一个可自行展开的3D打印电子器件,其在通电时能从透明变成不透明。这个器件基于同一研究团队在今年年初发布的原型。该原型在展开之前呈“H”型二维平面,但在“H”的四条腿折叠之后,就会形成一个在三维空间中的“桌子”。

  研究人员目前已经可以控制“桌腿”的展开角度。在实验中,他们设定“桌腿”的展开角度,然后强行把“桌腿”掰开到更大的角度。然而,当外力移除后,“桌腿”又恢复了原来的展开角度。

  在未来一段时间之内,该技术将有助于生产具有复杂三维构型的传感器、显示屏和天线。在远期,该技术也许能制造出可打印的机器人。

  3D打印是一种分层打印技术。MIT研究人员,将新型材料精确地布置在待展开器件的顶部或者底部几层。底层的新材料和基底材料之间有一定的粘合力,这能保证整个待展开器件在打印过程中的平整。然而,当待展开器件从基底材料上剥离之后,顶层的新型材料就会开始展开。

  像人类历史上很多伟大发明一样,研究团队也是在一个偶然的机会才发现的这种新型材料。大多数被研究的材料都是高分子材料——单分子组成复杂的长链结构。用不同种类的单分子制成高分子材料,可以获得不同的物理特性。

  在试图发明一种可用来打印更具延展性的器件的材料的时候,研究人员无意中发现,某种配方对应的材料打印出来的器件,居然会随着时间的推移慢慢伸展。研究人员迅速意识到这种材料的潜力,并开始改进这种材料,直到这种材料打印出来的“H”型4腿折叠桌能顺利展开。

  Hayward解释了材料的展开奥秘。该3D打印耗材中有几种长分子链和一种短得多的分子链,其单分子均为丙烯酸异辛酯。当用该耗材打印出来的薄层暴露于紫外线中固化后,长链之间会链接起来,形成错综复杂的结构。

  当第2层耗材被置于第1层之上后,第2层中的短链会渗入已经被固化的第1层。在那里,短链和长链形成了一种张力,为日后展开提供了条件。

  研究人员希望,对材料机制的深入理解能有助于其他应用领域。比如,目前很多高分子耗材,其打印出来的器件在固化之后,会有1%-3%的缩小。也许内在张力材料能有助于解决这个问题。

  北卡罗莱纳州立大学化学工程教授Michael Dickey表示,该材料为通过3D打印制造实用的电子器件提供了一种思路。通常,电路板都是二维平面。而不久的将来,则有可能利用可伸展3D打印材料制造处性能同样可靠的三维电子器件。

  数据来源:http://www.sohu.com/?strategyid=00005

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