Un nuevo método produce una estructura imprimible que comienza a doblarse tan pronto como se despega de la plataforma de impresión.El polímero de expansión permite auto-plegado sin calefacción o inmersión en agua.

Como la impresión en 3-D se ha convertido en una tecnología convencional, la industria y los investigadores académicos han estado investigando estructuras imprimibles que se doblarán en formas tridimensionales útiles cuando se calientan o se sumergen en agua .

Investigadores del Laboratorio de Informática y Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT y sus colegas informan de algo nuevo: una estructura imprimible que comienza a doblarse tan pronto como se desprende de la impresión, en un artículo aparecido en la revista de la American Chemical Society, Applied Materials and Interfaces plataforma.

Una de las grandes ventajas de los dispositivos que se pliegan sin ningún estímulo externo, dicen los investigadores, es que pueden involucrar una gama más amplia de materiales y estructuras más delicadas.

“Si quieres agregar electrónica impresa, en general vas a estar usando algunos materiales orgánicos, porque la mayoría de la electrónica impresa depende de ellos”, dice Subramanian Sundaram, un estudiante graduado del MIT en ingeniería eléctrica e informática y primer autor en el papel. “Estos materiales suelen ser muy, muy sensibles a la humedad y la temperatura. Así que si usted tiene estos componentes electrónicos y partes, y desea iniciar pliegues en ellos, no querría a hundir en el agua o calor, porque entonces su electrónica se va a degradar.

Para ilustrar esta idea, los investigadores construyeron un prototipo auto-plegable dispositivo imprimible que incluye cables eléctricos y un polímero “píxel” que cambia de transparente a opaco cuando se le aplica un voltaje. El dispositivo, que es una variación del ” goldbug imprimible ” que Sundaram y sus colegas anunciaron a principios de este año, empieza a parecerse a la letra “H.” Pero cada una de las patas del H se dobla en dos direcciones diferentes, produciendo una forma de mesa.

Los investigadores también construyeron varias versiones diferentes del mismo diseño básico de la bisagra, que demuestran que pueden controlar el ángulo exacto en el cual una junta se dobla. En los ensayos, enderezaron a la fuerza las bisagras uniéndolas a un peso, pero cuando el peso se retiró, las bisagras reanudaron sus pliegues originales.

A corto plazo, la técnica podría permitir la fabricación a medida de sensores, pantallas o antenas cuya funcionalidad dependa de su forma tridimensional. A largo plazo, los investigadores prevén la posibilidad de robots imprimibles.

Sundaram está unido en el papel por su consejero, Wojciech Matusik, profesor asociado de la ingeniería eléctrica y de la informática (EECS) en MIT; Marc Baldo, también profesor asociado de EECS, especializado en electrónica orgánica; David Kim, asistente técnico en el Grupo de Fabricación Computacional de Matusik; y Ryan Hayward, profesor de ciencias poliméricas e ingeniería en la Universidad de Massachusetts en Amherst.

Este clip muestra un ejemplo de un pliegue acelerado. (Imagen: Tom Buehler / CSAIL)

El alivio del estrés

La clave para el diseño de los investigadores es un nuevo material de tinta para impresora que se expande después de solidificarse, lo que es inusual. La mayoría de los materiales de tinta de impresora se contraen ligeramente a medida que se solidifican, una limitación técnica que los diseñadores frecuentemente tienen que trabajar.

Los dispositivos impresos se construyen en capas y, en sus prototipos, los investigadores del MIT depositan su material en expansión en lugares precisos, ya sea en las capas superiores o inferiores. La capa inferior se adhiere ligeramente a la plataforma de la impresora, y esa adhesión es suficiente para mantener el dispositivo plano a medida que se forman las capas. Pero tan pronto como el dispositivo terminado se despega de la plataforma, las juntas hechas del nuevo material comienzan a expandirse, doblando el dispositivo en la dirección opuesta.

Al igual que muchos avances tecnológicos, el descubrimiento de los investigadores del material fue un accidente. La mayoría de los materiales de impresión utilizados por el Grupo de Fabricación Computacional de Matusik son combinaciones de polímeros, moléculas largas que consisten en repeticiones en forma de cadenas de componentes moleculares individuales o monómeros. La mezcla de estos componentes es un método para crear tintas de impresora con propiedades físicas específicas.

Mientras trataba de desarrollar una tinta que produjera componentes impresos más flexibles, los investigadores de CSAIL golpearon inadvertidamente uno que se expandió ligeramente después de endurecerse. Inmediatamente reconocieron la utilidad potencial de expandir polímeros y comenzaron a experimentar con modificaciones de la mezcla, hasta que llegaron a una receta que les permitió construir juntas que se expandieran lo suficiente para doblar un dispositivo impreso por la mitad.

Por qué y por qué

La contribución de Hayward al periódico fue ayudar al equipo del MIT a explicar la expansión del material. La tinta que produce la expansión más potente incluye varias cadenas moleculares largas y una cadena mucho más corta, compuesta por el monómero isooctilo acrilato. Cuando una capa de la tinta se expone a la luz ultravioleta – o “curada”, un proceso comúnmente usado en la impresión 3-D para endurecer los materiales depositados como líquidos – las cadenas largas conectan entre sí, produciendo un matorral rígido de moléculas enredadas.

Cuando otra capa del material se deposita encima de la primera, las pequeñas cadenas de acrilato de isooctilo en la capa superior, líquida se hunden en la capa inferior, más rígida. Allí interactúan con las cadenas más largas para ejercer una fuerza expansiva, que la adhesión a la plataforma de impresión resiste temporalmente.

Los investigadores esperan que una mejor comprensión teórica de la razón de la expansión del material les permita diseñar materiales adaptados a aplicaciones específicas – incluyendo materiales que resisten la contracción del 1-3 por ciento típica de muchos polímeros impresos después del curado.

“Este trabajo es emocionante porque proporciona una manera de crear electrónica funcional en objetos tridimensionales”, dice Michael Dickey, profesor de ingeniería química en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “Por lo general, el procesamiento electrónico se realiza en una forma planar, 2-D y por lo tanto necesita una superficie plana. El trabajo aquí proporciona una ruta para crear electrónica usando técnicas planares más convencionales en una superficie 2-D y luego transformarlas en una forma 3-D, manteniendo la función de la electrónica. La transformación sucede por un truco ingenioso para construir el estrés en los materiales durante la impresión “.

Fuente: MIT

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