Термосеты, такие как эпоксидная и кремниевая резина, — это класс полимерных (то есть пластиковых) материалов, которые навсегда затвердевают при прохождении определённой химической реакции, известной как «перекрёстное сшиване». Эти материалы обладают высокой прочностью, термостойкостью и отличной электрической изоляцией в различных областях, таких как клеи, покрытия и автомобильные детали.
Термосеты также широко используются для изготовления электронных компонентов, включая выключатели, автоматические выключатели и другие компоненты сердечников.
До сих пор термосетные автономные устройства оказались сложными для создания с использованием традиционных технологий 3D-печати. Одна из ключевых причин — материалы должны временно поддерживаться другими опорными объектами, пока они не станут твёрдыми, что добавляет дополнительные этапы к процессу печати.
Исследователи из Сямэньского университета, Калифорнийского университета в Беркли и других институтов представили новый подход для надёжной печати 3D-самостоятельных термосетных устройств без дополнительных структур. Этот метод, представленный в статье, опубликованной в журнале Nature Electronics, сочетает в себе метод 3D-печати, известный как прямая запись чернилами, с процессом лазерной затвердеваемости.
«Термореактивные материалы (такие как силиконы) широко используются в инженерии и инфраструктурных приложениях», — рассказал Дэчжи Ву, соавтор статьи, Tech Xplore.
«Однако их процессы 3D-печати страдают от длительного времени отверждения и усложняют несущие конструкции для создания отдельно стоящих конструкций, так как они провисают и обрушиваются до затвердения. Лазерные производственные инструменты в нашей лаборатории используются для прямой печати термореактивных материалов, чтобы чернила мгновенно затвердели.»
Сочетание 3D-печати с лазерно-индуцированным затвердеванием
Метод 3D-печати, введённый исследователями, обладает несколькими преимуществами. Во-первых, это значительно сокращает время, необходимое для создания термореактивных структур, с часов до секунд. Во-вторых, новый метод также позволяет напрямую печатать отдельно стоящие 3D-термореактивные структуры без необходимости использовать вспомогательные материалы. Наконец, это позволяет реализовывать на месте определённые механические и электрические свойства в процессе печати, что очень выгодно при производстве систем для конкретных применений.
«Отдельно стоящие термореактивные устройства обладают двумя уникальными преимуществами», — отметил Ливэй Линь, соавтор статьи.
«Во-первых, процесс лазерного отверждения на месте устраняет схему, используемую в традиционных 3D-процессах для поддерживающих материалов и постпроцесса для удаления несущих конструкций.
«Это позволяет эффективно создавать сложные 3D-геометрии и расширять функциональность устройств. Во-вторых, свойства печатных 3D-структур программируемы. Например, местную механическую жесткость и электрическую проводимость можно регулировать параметрами печати, чтобы разные области становились мягче или жёстче, а их проводимость — высокой или низкой.»
Тщательное проектирование конкретных свойств в отдельных частях конструкции может быть особенно ценным при разработке систем, которые могут выиграть от жёсткости или мягкости в разных местах. Например, было бы полезно разработать удобные носимые устройства или функциональных роботов с гибкими суставами, которые могут проводить электричество в одних частях тела, а в других — нет.
«Чтобы адаптировать свойства конструкций, мы фокусируем лазер диаметром 1 064 нм на полимерной струи возле кончика сопла, где на основе фототермического эффекта индуцируется локальное желирование термореактивных чернил», — объясняет Лин
Открытие новых путей для производства термореактивных устройств
Чтобы продемонстрировать потенциал своего метода 3D-печати, исследователи использовали его для печати различных термосетных автономных устройств, включая растягиваемые электронные компоненты, мягкие датчики и 3D-магнитных роботов. Предлагаемый ими подход обеспечивает точное разрешение печати (то есть до 50 мкм) и легко адаптируется для изготовления широкого спектра устройств.
«Этот подход позволяет создавать высококачественные, автономные архитектуры из различных термореактивных красок без дополнительных вспомогательных материалов или длительной постобработки», — объяснил Ву.
«Регулируя мощность лазера и параметры печати, мы контролируем модуль Янга вдоль нити, обеспечивая градиент жесткости и пространственно программируемую функциональность. Таким образом, наш метод позволяет объёмно программировать свойства, такие как механическая жесткость и электрическая проводимость.»
В будущем стратегия 3D-печати, применяемая Линем, Ву и их коллегами, может позволить производить новые и разнообразные гибкие электронные устройства в больших масштабах. Помимо изготовления мягких роботов, она могла поддерживать масштабируемое производство систем орган-на-чипе и биосовместимых устройств с продвинутыми функциональностями и сложной 3D-геометрией.
«Теперь мы планируем создать надёжную платформу для 3D-печати для создания мягких, многофункциональных устройств», — добавил Ву. «Мы также расширим набор инструментов для печати и изучим оптимальные параметры печати для промышленных применений, таких как гибкая электроника, органные чипы и так далее.»