Forscher haben versucht, neue Wege zu finden, um die verschiedenen in der Natur beobachteten nützlichen Merkmale zu produzieren und zu replizieren. Feine Haare und Fasern, die von Natur aus allgegenwärtig sind, sind nützlich für verschiedene Anwendungen, die von sensorischen Haaren bis zu den Fasern reichen, die Hagfish -Schleim zu einer einzigartigen Konsistenz verleihen.
Mechse-Professoren Sameh Tawfick und Randy Ewoldt, Doktorand M. Tanver Hossain, und externe Mitarbeiter haben dieses Bedürfnis mit ihrer kürzlich veröffentlichten 3D-Drucktechnik, die kürzlich veröffentlicht wurde Naturkommunikation. In ihrem Artikel „Schneller 3D -Druck von feinen, kontinuierlichen und weichen Fasern über eingebetteter Lösungsmittelaustausch“ wird die Wissenschaft hinter ihrem bioinspirierten Ansatz zum schnellen Druck von feinen Fasern in Gel erörtert.
Im Gegensatz zu herkömmlichen 3D-Druckmethoden, bei denen das Material Schicht für Schicht in Umgebungsluft abgelagert wird, eingebettete 3D-Druckvorkommen in einem Stützmedium wie Hydrogel. Beim Druck in Luft müssen Modelle so ausgerichtet sein, dass jede Schicht die nachfolgende Schicht unterstützen kann oder für Strukturen mit komplexer Architektur abnehmbare Stützstrukturen gedruckt und später verworfen werden. Das Drucken in Gel negiert die Notwendigkeit dieser Strukturen, da das Gel selbst die Form des gedruckten Materials unterstützt und komplexe Formen wie helikale Federn effizienter gedruckt werden kann. Darüber hinaus kann der gedruckte Teil eingehärtet und dann vom Gel entfernt werden, sodass das Gel für mehrere Drucke wiederverwendet werden kann.
Eingebetteter 3D -Druck hatte jedoch zuvor mit sehr dünnen Merkmalen zu kämpfen, die an den 3D -Druck in Luft erinnerten. Die Filamente unter einem Durchmesser von sechzehn Mikronen würden vor dem Aushärtungsprozess aufgrund der Oberflächenspannung schnell brechen. Das Forschungsteam wollte feinere Durchmesser drucken, um den in der Natur gefundenen Fasern zu entsprechen, wie die von Spinnen produzierte Seide oder den schleimigen defensiven Faden, das von Hagfisch extrudiert wurde.
„In der Natur gibt es viele Beispiele für filamentöse Strukturen, die einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern erreichen“, sagte Hossain, der zweiter Autor und konzentrierte sich auf die Gestaltung des nicht-Newtonschen Gels. „Wir wussten, dass es möglich sein musste.“
Die Forscher verwendeten eine Methode zum Lösungsmittelaustausch, um die Kapillarausbreitung von Oberflächenspannung zu hemmen. „Wir haben das Gel und die Drucktinte so geändert, dass die Tinte heilen würde, sobald sie im Gel abgelagert wird“, sagte Hossain. „Dies verhindert, dass das Filament schnappt, weil es fast sofort solide ist.“ Durch diesen Ansatz erhielt das Team eine Auflösung von 1,5 Mikrometern. Sie experimentierten auch mit dem Drucken durch mehrere Düsen parallel und ermöglichten eine schnelle Herstellung.
Der Erstautor Dr. Wonsik Eom, jetzt ein Fakultätsmitglied der Abteilung für Faserkonvergenzmaterialtechnik an der Dankook University in Südkorea, ist ein ehemaliger Postdoktorandenforscher in Tawfick’s Labor.
„Diese Forschung überwindet eine langjährige Einschränkung der 3D-Drucktechnologie-druckte weiche Materialien mit einem Durchmesser von so klein wie einem Mikron“, sagte EOM, der sich auf die Gestaltung des Lösungsmittelaustauschprozesses konzentrierte. „Wenn wir eine solche hohe Druckauflösung erreichen, haben wir nun die technologische Grundlage, die in der Natur gefundenen Mikrofasern und haarähnlichen Strukturen nachzuahmen, die bemerkenswerte Funktionen aufweisen.“
Die Forscher interessierten sich für den eingebetteten 3D-Druck, weil sie die Eigenschaften von Hagfish Slime reproduzieren können, die aufgrund des Vorhandenseins von Fadenbündeln im Mikron-Maßstab mechanische Leistung aufweist. Ewoldt untersucht seit mehr als einem Jahrzehnt die Mechanik von Hagfish Slime mit externen Mitarbeitern Professor Douglas Fudge von der Chapman University.
„Wir haben den eingebetteten 3D -Druck als Methode zur Nachahmung dieser Threads übernommen“, sagte Eom. „Durch unsere Forschung haben wir festgestellt, dass die Entwicklung einer hochauflösenden 3D-Drucktechnologie es uns ermöglicht, ein viel größeres Spektrum von natürlichen Strukturen zu replizieren, als wir ursprünglich erwartet hatten.“
„Diese Studie bezieht sich auf die breitere Forschungsvision meiner Gruppe-um neuartige technische Funktionen durch das komplexe mechanische Verhalten von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten und weichen Feststoffen zu ermöglichen“, sagte Ewoldt über sein Interesse an der Arbeit. „Diese Perspektive integriert sich über grundlegende Bereiche der Mechanik, von der Flüssigkeitsmechanik bis hin zu festen Mechanik und Verhalten zwischen dazwischen.“
„Die Bedeutung dieser Methode besteht darin, viele Haargeometrien zu erzeugen und gleichzeitig nicht mit der Abwärtskraft der Schwerkraft auf solch feinem und flexibles Haar umgehen zu müssen“, sagte Tawfick, der daran gearbeitet hat, die Nützlichkeit und verschiedene Anwendungen der Methode zu demonstrieren. „Dies ermöglicht es uns, komplexe 3D -Haare mit feinen Durchmessern zu produzieren, indem wir einen ultraprecise -3D -Drucker verwenden.“
Durch ihre Technik planen die Forscher, fortschrittlichere Entwicklungsentwicklung zu verfolgen.
„Diese Methode hat ein erhebliches Potenzial, da ultra-feine und lange Fasern mit funktionellen Materialien kombiniert werden könnten, um die Replikation von naturverpirchierten Faserstrukturen zu ermöglichen“, sagte Hossain.
„Wir sind besonders daran interessiert, feine Mikrostrukturen zu drucken, die heute mit konventionellen Halbleiterherstellungstechniken nicht realisiert werden können“, sagte EOM.
