Un equip de recerca de la City University of Hong Kong (CityU) ha aconseguit un avenç revolucionari en la investigació de materials mitjançant el desenvolupament amb èxit de la primera impressió 4-D per a ceràmica, que és mecànicament robusta i pot tenir formes complexes.
La ceràmica té un punt de fusió elevat, per la qual cosa és difícil utilitzar la impressió làser convencional per fabricar ceràmica. Els precursors ceràmics imprimits existents en 3-D, que normalment són difícils de deformar, també dificulten la producció de ceràmica amb formes complexes. Per superar aquests reptes, l'equip de la CityU ha desenvolupat una nova "tinta de ceràmica", que és una barreja de polímers i nanopartícules ceràmiques. Els precursors ceràmics impresos en 3-D i amb aquesta tinta nova són tous i es poden estirar tres vegades més enllà de la seva longitud inicial. Aquests precursors ceràmics flexibles i estirables permeten formes complexes, com el plegat d'origami. Amb un tractament tèrmic adequat, es poden fabricar ceràmiques amb formes complexes.
L'equip va ser liderat pel professor Lu Jian, catedràtic d'enginyeria mecànica, que és un distingit científic de materials amb interessos de recerca que van des de la fabricació de nanomaterials i materials estructurals avançats fins a la simulació computacional de l'enginyeria superficial. Amb el desenvolupament dels precursors elàstics, l'equip de recerca ha aconseguit un gran avenç desenvolupant dos mètodes d'impressió 4-D de ceràmica.
La impressió 4-D és una impressió convencional 3-D combinada amb l'element addicional de temps com és la quarta dimensió, on els objectes impresos es poden tornar a configurar o muntar a si mateixos al llarg del temps amb estímuls externs, com podria ser gràcies a la força mecànica, a la temperatura o al camp magnètic. En aquesta investigació, l'equip va fer ús de l'energia elàstica emmagatzemada en els precursors estirats per obtenir un morfisme de forma. Quan s'alliberen els precursors ceràmics estirats, se sotmeten a una autoformulació. Després del tractament tèrmic, els precursors es converteixen en ceràmica.
Les ceràmiques derivades dels elastòmers resultants són mecànicament robustes. Poden tenir una alta resistència a la densitat de compressió de manera que, poden arribar a grans dimensions amb una gran resistència en comparació amb altres ceràmiques impreses.
Tot el procés sembla senzill, però no ho és. Des de la tinta fins al desenvolupament del sistema d'impressió, es van provar moltes vegades i amb diferents mètodes. Com esmorteir la formació de gel en un pastís, hi ha molts factors que poden afectar el desenllaç, que van des del tipus de crema i la mida del broquet, a la velocitat i la força d'esprémer, i també amb la temperatura.
Va trigar més de dos anys i mig a superar les limitacions dels materials existents i desenvolupar tot el sistema d'impressió ceràmica 4-D.
En el primer mètode de modelatge, un precursor i substrat ceràmic imprès en 3-D es va imprimir per primera vegada amb la nova tinta. El substrat es va estirar mitjançant un dispositiu d'estirament biaxial, i es van imprimir empalmes per connectar el precursor. El precursor es va col·locar sobre el substrat estirat. Amb el control de temps programat per ordinador i l'alliberament del substrat estirat, els materials es van transformar en la forma dissenyada.
En el segon mètode, el patró dissenyat es va imprimir directament sobre el precursor ceràmic estirat. Posteriorment, es va alliberar sota control de programació per ordinador i es va sotmetre al procés d'autodiferenciació.
Amb la versàtil capacitat de morfificació de formes dels precursors ceràmics impresos, la seva aplicació pot ser enorme. Una aplicació prometedora és l'electrònica. Els materials ceràmics tenen un rendiment molt millor en la transmissió de senyals electromagnètics que els materials metàl·lics. Amb l'arribada de xarxes 5G, els productes ceràmics tindran un paper més important en la fabricació de productes electrònics. La naturalesa artística de la ceràmica i la seva capacitat per formar formes complexes també ofereixen el potencial pels consumidors i així poder crear plats de ceràmica mòbils i personalitzats.
També, aquesta innovació es pot aplicar en l'exploració aeronàutica i espacial. Atès que la ceràmica és un material mecànicament robust que pot tolerar temperatures elevades, la ceràmica impresa en 4-D té un gran potencial per ser utilitzada com a component de propulsió en el camp aeroespacial.
Font: Universitat de la Ciutat de Hong Kong
