Rotational 3D printing of active-passive filaments and lattices with programmable shape morphing

Deze studie introduceert een rotatie-gebaseerde 3D-printtechniek voor multimateriaal-elastomere filamenten die door middel van geprogrammeerde actieve-passieve patronen en vloeibaar-kristaluitlijning complexe, programmeerbare 3D-vormveranderingen mogelijk maken, wat leidt tot de ontwikkeling van adaptieve roosters en robotische structuren.

De kern

Titel: De Magische Draadjes die Zichzelf Bewegen

Stel je voor dat je een touwtje hebt dat niet alleen kan buigen, maar ook kan draaien, oprollen en zelfs van vorm veranderen alsof het een levend wezen is. Klinkt als sciencefiction? Dat is het eigenlijk wel, maar wetenschappers van Harvard hebben een manier gevonden om dit te maken met 3D-printers.

Hier is hoe ze het doen, vertaald in gewone taal:

1. De Magische Ingrediënten: Twee Soorten "Deeg"

Stel je een 3D-printer voor die niet één soort plastic gebruikt, maar twee soorten "deeg" tegelijkertijd uitstoot:

• Het Magische Deeg (Actief): Dit is een speciaal rubber dat gemaakt is van kristallen. Als je het verwarmt (bijvoorbeeld boven de 150 graden), krimpt dit rubber als een droge spons. Het wil korter worden.
• Het Stille Deeg (Passief): Dit is gewoon zacht rubber. Het doet niets als je het verwarmt; het blijft precies zo lang en dik als het was.

2. De Kunst van het Draaien: De "Spaghetti-Machine"

Normaal gesproken print een 3D-printer rechtuit. Maar deze onderzoekers hebben een printer aangepast die draait terwijl hij print.

Stel je voor dat je spaghetti maakt. Als je de machine rechtuit beweegt, krijg je rechte spaghetti. Maar als je de machine draait terwijl de deeg eruit komt, krijg je een spiraalvormige, gedraaide spaghetti.

Ze gebruiken deze draaiende techniek om het "Magische Deeg" en het "Stille Deeg" in een specifieke spiraalpatroon door elkaar te draaien. Hierdoor ontstaat er een draadje (een filament) dat half uit het krimpende materiaal bestaat en half uit het stille materiaal, maar dan in een prachtige spiraal.

3. Wat gebeurt er als het warm wordt?

Wanneer je deze gedraaide, dubbelzijdige draadjes verwarmt, begint het echte spektakel:

• Het Magische Deeg wil krimpen.
• Het Stille Deeg wil niet krimpen.

Omdat ze aan elkaar vastzitten en in een spiraalpatroon liggen, kan het Magische Deeg niet gewoon korter worden. In plaats daarvan buigt en draait het hele draadje.

• Als je de printer niet laat draaien, buigt het draadje gewoon naar één kant (zoals een warmtegevoelige lepel die kromt).
• Als je de printer wel laat draaien tijdens het printen, krijg je draadjes die zich oprollen (zoals een slak) of draaien (zoals een schroef).

Het is alsof je een touw hebt dat zichzelf kan veranderen in een springtouw, een schroef of een slang, afhankelijk van hoe je het hebt gemaakt.

4. Van Draadjes naar Netwerken: De "Vormveranderende Netten"

De onderzoekers hebben deze slimme draadjes niet alleen als losse lijntjes gebruikt. Ze hebben er hele netten van gemaakt, zoals een traliewerk of een vissenkorf.

Door slim te kiezen welke draadjes waar liggen, kunnen ze het hele net laten:

• Uitzetten: Het net wordt groter en wijder (als een bloem die opent).
• Krimpen: Het net wordt kleiner en strakker (als een vuist die zich sluit).
• Bollen of Zadelvormen: Het net kan zich in 3D veranderen, zoals een koepel of een zadel.

5. Wat kun je hiermee doen? (De Toekomst)

Dit klinkt misschien als een trucje, maar het heeft enorme toepassingen:

• De Slimme Vanger: Stel je een vanger voor die op een heet moment openstaat en koude objecten vasthoudt. Als je het verwarmt, krimpt het net en laat het object los. Je kunt dus een robotarm maken die dingen oppakt en neerzet zonder motoren of batterijen, alleen door warmte.
• De Filter: Een filter dat bij koude gesloten is (om kleine deeltjes te vangen) en bij warmte open gaat (om ze weer los te laten).
• De Zelf-reparerende Robot: Denk aan een robot die in een kleine koffer past, en zodra hij op de maan of in een ziekenhuis is, door de zon of een lampje wordt verwarmd en zichzelf uitklapt tot een grote, functionele robot.

Samenvatting

Kortom: deze wetenschappers hebben een manier bedacht om 3D-draadjes te printen die "in hun hoofd" weten hoe ze moeten bewegen. Door het materiaal te draaien tijdens het printen, programmeren ze de vormverandering direct in het materiaal zelf. Het is alsof je een stukje plastic print dat een geheugen heeft: "Als het warm wordt, draai ik me om."

Dit opent de deur naar een wereld van robots en materialen die zich aanpassen aan hun omgeving, net als planten die naar de zon groeien of octopussen die hun vorm veranderen.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het artikel "Rotational 3D printing of active-passive filaments and lattices with programmable shape morphing", vertaald en samengevat in het Nederlands.

Probleemstelling

Natuurlijke filamenten, zoals eiwitten, plantentendrels, octopus-tentakels en olifantenrompen, hebben het vermogen om zich te transformeren in willekeurige driedimensionale vormen door een complexe interactie tussen actieve en passieve gebieden. Het nabootsen van dit gedrag in synthetische materialen is uitdagend. Bestaande methoden voor shape-morphing (vormverandering) hebben beperkingen:

• Extrinsieke programmering: Methodes zoals bilayers met verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten leiden voornamelijk tot buiging, maar zijn moeilijk te programmeren voor torsie (draaiing) of coiling (opkrullen).
• Intrinsieke programmering: Stimuli-responsieve materialen zoals vloeibare kristalelastomeren (LCE's) bieden reversibele activering, maar traditionele fabricagemethoden (zoals oppervlakte-uitlijning of magnetische uitlijning) zijn beperkt tot dunne films of microscopische structureen.
• Direct Ink Writing (DIW): Hoewel DIW filamenten kan printen, zijn deze vaak beperkt tot contractie langs de drukrichting. Het direct voorschrijven van intrinsieke kromming en torsie in individuele filamenten blijft een onopgeloste uitdaging.

Er is behoefte aan een strategie die onafhankelijke controle biedt over buiging, torsie en kromming op elk punt van een filament, zonder ingewikkelde nabewerking of mechanische programmering.

Methodologie

De auteurs introduceren een filament-gecentreerde strategie met behulp van Rotational Multimaterial 3D Printing (RM-3DP).

1. Materiaalsamenstelling:

   • Actief materiaal: Een oligomere LCE-inkt met stijve mesogenen die langs de polymeerruggengraat zijn ingebouwd. Deze ondergaat een reversibele contractie langs de director-veldrichting wanneer deze wordt verhit boven de nematic-isotrope overgangstemperatuur ($T_{NI}$).
   • Passief materiaal: Een zachte acrylaat-elastomer-inkt die thermisch stabiel blijft (geen significante krimp).
   • Adhesie: Beide inkten bevatten acrylaat-terminaties die zorgen voor sterke covalente bindingen na UV-uitkuring, wat delaminatie voorkomt.

2. Printproces (RM-3DP):

   • Er wordt een aangepaste nozzle gebruikt met twee semi-circulaire kanalen (totaal 1 mm diameter) voor het co-extruderen van de actieve en passieve inkt.
   • Rotatie: Tijdens het printen roteert de nozzle. Dit heeft twee effecten:
     • Het imposeert een helische uitlijning van de LCE-mesogenen (door schuifkrachten).
     • Het varieert de ruimtelijke verdeling van de actieve en passieve materialen langs de lengte van het filament.
   • Door de rotatiesnelheid ($\omega$) en de transportsnelheid ($v$) te variëren, kan de hoek $\alpha(s)$ van het interface-normaalvector worden geprogrammeerd. Dit definieert de intrinsieke kromming-torsie vector $\bar{k}(s)$.

3. Modellering:

   • De filamenten worden gemodelleerd als discrete elastische staven (Discrete Elastic Rods - DER).
   • De elastische energie wordt geminimaliseerd om de evenwichtsstand te voorspellen, gebaseerd op het verschil tussen de huidige kromming/torsie en de geprogrammeerde natuurlijke waarden.

Belangrijkste Bijdragen

• Directe codering van intrinsieke geometrie: Voor het eerst wordt de natuurlijke kromming en torsie van een filament direct gecodeerd tijdens de fabricage door rotatie, in plaats van via post-processing of bilayer-architecturen.
• Onafhankelijke controle: Het systeem biedt onafhankelijke controle over twee krommingsassen en torsie op elk dwarsdoorsnede-punt.
• Janus-filamenten: De creatie van filamenten met een scherpe interface tussen actieve en passieve zones, waarbij de actieve zone een helisch director-veld heeft.
• Computational Framework: Een theoretisch en numeriek raamwerk dat experimentele resultaten nauwkeurig voorspelt en ontwerpen voor complexe 3D-structuren mogelijk maakt.

Resultaten

1. Materiaaleigenschappen:

   • De actieve LCE vertoont een sterke contractie (normale lengte $\approx 0,67$ bij 150°C), terwijl de passieve elastomer stabiel blijft (lengte $\approx 1,03$).
   • Er is een groot verschil in elasticiteitsmodulus (factor 50), wat de buigrespons versterkt.
   • De adhesie tussen de materialen is sterker dan de cohesive van het passieve materiaal, wat zorgt voor structurele integriteit tijdens extreme vervormingen.

2. Gestuurde Vormverandering (Filamentniveau):

   • Zonder rotatie ($\omega^*=0$): Het filament buigt (coils) door thermische krimp van de ene kant.
   • Met rotatie: Door de rotatiesnelheid te verhogen, verandert de vervormingsmodus:
     • Lage rotatie: Buigingsgedomineerd (grote lengtevermindering).
     • Hoge rotatie: Torsie-gedomineerd (helische windingen met minimale lengtevermindering).
   • De overgang van buigen naar draaien wordt verklaard door de Kirchhoff-analogie (vergelijkbaar met een tol).
   • De vervorming is volledig reversibel en toont geen degradatie na 100 thermische cycli.

3. Architectonische Lattices (Netwerkniveau):

   • Homogene lattices: Lattices bestaande uit alleen uitbreidende of alleen krimpende filamenten tonen respectievelijk globale expansie (+99% oppervlakte) of contractie (-28% oppervlakte).
   • Heterogene lattices: Door uitbreidende en krimpende eenheden in één lattice te combineren, ontstaan uit het vlak vervormende structuren:
     • Uitbreidend centrum + krimpende rand $\rightarrow$ Bolvormige structuur (positieve Gauss-kromming).
     • Krimpend centrum + uitbreidend rand $\rightarrow$ Sadelvormige structuur (negatieve Gauss-kromming).
   • Deze vervormingen worden nauwkeurig voorspeld door de DER-simulaties.

4. Toepassingen:

   • Dynamische Filters: Een lattice die bij lage temperatuur gesloten is (objecten vasthoudt) en bij verhitting opent (objecten vrijgeeft).
   • Pick-and-Place Grippers: Een lattice die bij verhitting krimpt en meerdere objecten (bijv. acrylstaven) tegelijkertijd kan grijpen en verplaatsen, en bij afkoeling loslaat. Dit is een verbetering ten opzichte van bestaande zachte grippers die vaak maar één object tegelijk kunnen hanteren.

Betekenis en Impact

Dit werk markeert een paradigmaverschuiving in de fabricage van zachte, adaptieve materialen. In plaats van te vertrouwen op gelaagde struts of dunne films, programmeert deze methode de vervorming geometrisch op het filamentniveau.

• Universele toepasbaarheid: Hoewel LCE's worden gebruikt, zijn de ontwerpprincipes toepasbaar op andere stimuli-responsieve materialen (hydrogels, vormheugende polymeren).
• Complexiteit: Het stelt onderzoekers in staat om complexe 3D-vormveranderingen (buigen, draaien, coilen, uit het vlak vervormen) te realiseren in één fabricagestap.
• Toekomstperspectief: De technologie opent de deur naar geavanceerde toepassingen in zachte robotica (bijv. grijpers voor meerdere objecten), deployable structuren, en bio-geïnspireerde systemen die dynamisch kunnen reageren op omgevingsveranderingen zonder externe kabels of pneumatische systemen.

Samenvattend biedt deze studie een robuust raamwerk voor het ontwerpen van "shape-morphing matter" met hoge mate van programmeerbaarheid, waarbij de controle over de intrinsieke geometrie van filamenten de sleutel is tot emergente functionaliteit op grotere schaal.