Chemisch fysicus Achidi Frick onderzocht een nieuw type 3D-printen om slimme kunststoffen beter en sneller te laten werken.
Fricks onderzoek richtte zich op het creëren van "slimme" plastic folies met behulp van een materiaal genaamd PVDF-TrFE. Deze kunststoffen zijn piëzo-elektrisch, wat betekent dat ze fysieke druk omzetten in elektriciteit en trillen wanneer ze een elektrisch signaal ontvangen. Momenteel is het maken van deze folies traag en gecompliceerd, waarbij onderzoekers de plastic vaak moeten uitrekken of blootstellen aan een hoge spanning. Deze oude methoden hebben moeite met het creëren van complexe 3D-vormen en kunnen niet concurreren met gangbare materialen die giftig lood bevatten.
Frick onderzocht of een nieuw type 3D-printen deze slimme kunststoffen beter en sneller zou kunnen laten werken, en welke specifieke producten er het meest van zouden profiteren. Hij werd gemotiveerd om deze materialen zeer gedetailleerd te 3D-printen zonder de gebruikelijke extra stappen. Deze doorbraak zou kunnen leiden tot veilige medische sensoren voor het lichaam, flexibele opladers die energie uit beweging halen en zachte robots die kunnen "voelen" wat ze aanraken.
Draagbare en biomedische apparaten
Het onderzoek toont een snelle, eenstapsmethode voor het 3D-printen van piëzo-elektrische PVDF-TrFE-films met hoge prestaties bij een zeer laag gehalte aan actief materiaal. Dit kan direct van nut zijn voor ingenieurs die flexibele druksensoren, micro-actuatoren en energie-oogsters ontwikkelen, waar conventionele, broze keramiek onpraktisch of giftig is. Deze resultaten zijn met name relevant voor draagbare en biomedische apparaten, zachte robotica en ingebouwde sensoren in geminiaturiseerde componenten, waar mechanisch flexibele, biocompatibele en microgestructureerde architecturen cruciaal zijn. Op korte termijn zouden DWVML-geprinte films kunnen worden gebruikt voor prototypes van zelfvoorzienende draagbare gezondheidsmonitoren of implanteerbare druksensoren die zich aanpassen aan weefsel. Op de langere termijn biedt het op FeRAM gerichte deel van het proefschrift informatie voor ontwerpers van flexibele geheugen- en neuromorfische systemen, waar op PVDF gebaseerde ferro-elektrica een energiezuinig, siliciumvrij, dunnefilmgeheugen mogelijk kunnen maken in opkomende elektronica die gekoppeld is aan het Internet of Things en slimme medische apparaten.
Het onderzoek combineerde experimentele fabricage, geavanceerde karakterisering en een kritische literatuurstudie. Allereerst werden fotoactieve PVDF-TrFE-harsen geformuleerd en verwerkt tot dunne films met behulp van verschillende fotochemische methoden, waaronder een snelle volumetrische 3D-printmethode. Deze films werden vervolgens in het laboratorium gekarakteriseerd met technieken zoals piëzoresponsiemicroscopie op basis van atoomkrachtmicroscopie, Raman-spectroscopie, röntgendiffractie en elektronenmicroscopie om de verbanden tussen verwerkingsomstandigheden, microstructuur en piëzo-elektrische prestaties te onderzoeken. Parallel daaraan werd een uitgebreide literatuurstudie uitgevoerd naar ferro-elektrische polymeren en concepten voor computergeheugen om de PVDF-familie te plaatsen in de context van bestaande en opkomende geheugentechnologieën, waaronder FeRAM en neuromorfe systemen. Deze combinatie van laboratoriumexperimenten en de synthese van gepubliceerde werken maakte het mogelijk om zowel een praktisch proof-of-concept voor 3D-geprinte piëzo-elektrische films aan te tonen als het bredere potentieel en de beperkingen van PVDF-materialen in toekomstige elektronische apparaten te evalueren.
Meer informatie over het proefschrift
