Hittills har det varit svårt att använda konventionella 3D-printingtekniker till keramik på grund av dess höga smältpunkt. De existerande 3D-printingmetoderna för keramik är begränsade och hindrar produktion av keramiska modeller med komplexa former.
4D-Printad keramisk modell av Sydney Opera House. Kredit: City University of Hong Kong
En forskargrupp vid City University of Hong Kong (CityU) har framgångsrikt utvecklat världens första 4D-printingmetod för keramiska modeller, som är mekaniskt robusta och kan ha komplexa former.
4D-utskrift är konventionell 3D-utskrift kombinerad med ytterligare tidselementet som den fjärde dimensionen, där de utskrivna objekten kan omforma eller självmontera sig över tiden med yttre stimuli, såsom mekanisk kraft, temperatur eller magnetfält.
För att uppnå sina önskade effekter utvecklade CityU-teamet ett nytt "keramiskt bläck", som är en blandning av elastiska polymerer (dimetylsiloxan) och keramiska nanopartiklar (kristallina ZrO2 NP med en primär medelstorlek på 20-50 nm i diameter). När värme appliceras kan de 3D-printade keramiska delarna som skrivits ut med detta nya bläck vidgas tre gånger längre än dess startlängd. Dessa flexibla och töjbara keramiska modeller tillåter också origami-vikning, liksom skapandet av mer komplexa former.
4D-printad keramisk Miura-ori. Kredit: City University of Hong Kong
Forskarlaget utnyttjar den elastiska energin som lagras i de utsträckta prekursorerna för att skapa en form-övergång. När de sträckta keramiska prekursorerna släpps går de in i en förändringsfas. Efter värmebehandling stelnar prekursorerna till keramik.
Den resulterande elastomer-härledda keramiken är mekaniskt robust. De kan ha ett högt tryckhållfasthet-till-densitetsförhållande (547 MPa på 1,6 g cm-3 mikrolatt) och de kan printas i stora storlekar med hög hållfasthet jämfört med andra 3D-printade keramikmodeller.
Den innovativa tvåstegsprocessen tog två år att utveckla. "Hela processen låter enkelt, men det är inte", säger professor Lu Jian, vice VD för Forskning och Teknik, och ordförande professor i maskinteknik som ledde forskningen. "Från att göra bläcket till att utveckla printingsystemet försökte vi många gånger och med olika metoder. Precis som när man spritsar glasyr på en tårta så finns det många faktorer som kan påverka resultatet, allt från typen av glasyr och storleken på munstycket , till hastigheten och kraften av att klämma, och temperaturen."
Forskargruppen utvecklade två metoder för 4D-utskrift av keramik. I den första formningsmetoden printades två former med det specialframställda bläcket, en 3D-printad keramikprekursor och substrat. Substratet sträcktes med användning av en biaxiell sträckningsanordning. Prekursorn placeras sedan på det sträckta substratet. Med den datorprogrammerade styrningen av tiden och frisättningen av det sträckta substratet omformas sedan materialet till önskad form.
I den andra metoden printades designade mönstret direkt på den sträckta keramiska prekursorn. Det "släpptes" sedan under datorstyrning för att omformas till dess slutgiltiga form.
Professor Lu tror att elektroniska enheter kommer att bli en lovande applikationssektor för denna teknik. Keramik har mycket bättre prestanda vid överföring av elektromagnetiska signaler än metaller och de förväntas spela en mycket viktigare roll vid tillverkning av elektroniska produkter, såsom skräddarsydda keramiska mobiltelefonplattor när 5G-nät används.
Dessutom kan denna innovation tillämpas inom flygindustrin och rymdutforskning. "Eftersom keramik är ett mekaniskt robust material som kan tåla höga temperaturer, har den 4D-printade keramiken hög potential att användas som framdrivningskomponent inom rymdområdet", säger Professor Lu. "Nästa steg är att förbättra materialets mekaniska egenskaper, i synnerhet genom att minska sprödheten i materialet."
Det innovativa arbetet publicerades i Advanced Sciences journal förra veckan med titeln "Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures."