Van de luchtvaart tot HealthTech – LCEs zijn net zo veelzijdig als ze intrigerend zijn

Laten we beginnen met het kernpunt! Wat zijn LCE’s? Wel, LCE’s staan voor Liquid Crystalline Elastomers – gekruiste polymeer netwerken die de elastische eigenschappen van rubber combineren met de anisotrope eigenschappen van vloeibare kristallen. De belangrijkste factor die hun uniekheid aandrijft is dat multifunctionaliteit en responsiviteit geprogrammeerd kunnen worden in LCE’s door hun lokale oriëntatie te patteren.

Het is een zeldzame eigenschap – moeilijk te bereiken in andere monolithische materiaalsystemen. En, zoals een reviewartikel van Nature uit 2021 aangeeft, hebben vooruitgangen in de synthese en uitlijning van LCE’s het mogelijk gemaakt om ze functioneel te integreren in diverse sectoren, waaronder robotica, optica, consumentenproducten, energie en gezondheidszorg. 

Vandaag duiken we dieper in deze veelzijdigheid van LCE’s om te zien hoe ze hun waarde bewijzen in een reeks sectoren, van de luchtvaart tot HealthTech. 

3D-printbenadering voor vormveranderende materialen met LCE-structuren

Een team van onderzoekers van Oregon State University heeft geholpen bij het ontwikkelen van een nieuwe 3D-printbenadering voor vormveranderende materialen. In de praktijk kunnen dergelijke vormveranderende materialen robottoepassingen verbeteren door hen een robotachtige kwaliteit te geven. 

Terwijl hij het karakter van LCE’s in deze context uitlegt, zei Devin Roach van de OSU College of Engineering:

“LCE’s zijn zachte motoren. Omdat ze zacht zijn, in tegenstelling tot gewone motoren, werken ze uitstekend met onze van nature zachte lichamen. Ze kunnen dus worden gebruikt als implanteerbare medische apparaten, bijvoorbeeld om geneesmiddelen op gerichte locaties af te geven, als stents voor procedures in doelgebieden, of als urethrale implantaten die helpen bij incontinentie.”

Meer specifiek beschrijft het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials, de vervaardiging van LCE’s via additive manufacturing (AM) technieken, voornamelijk met direct ink write printing. De onderzoekers documenteerden de voorbereiding van uitgelijnde, hoofdketen LCE’s via DLP 3D-printen met een magnetisch veld van 100 mT.

Systematisch onderzoek isoleerde de bijdrage van de sterkte van het magnetisch veld, de uitlijningstijd en de laagdikte van de opbouw aan de graad van oriëntatie in 3D-geprinte LCE’s. De onderzoekers concludeerden dat DLP-printen van uitgelijnde LCE’s nieuwe mogelijkheden kan openen om stimulus-responsieve materialen te fabriceren in vormfactoren geoptimaliseerd voor functioneel gebruik in zachte robotica en energieabsorptie.

Hoewel dit allemaal jargonachtig en vol hightech implicaties kan klinken, kan het begrijpen van LCE’s veel eenvoudiger zijn als we naar hun toepassingen in de echte wereld kijken. In essentie kunnen LCE’s hun vorm veranderen als reactie op blootstelling aan bepaalde stimuli, zoals warmte. Door deze eigenschap te benutten, kunnen LCE’s worden gebruikt om thermische energie om te zetten in mechanische energie zodat deze kan worden opgeslagen en op aanvraag kan worden gebruikt. 

De spierachtige flexibiliteit die LCE’s ons bieden, kan ons aanzienlijk vooruithelpen op het gebied van zachte robotica. Deze flexibele robots kunnen gebieden betreden die onveilig of ongeschikt zijn voor mensen. Volgens Devin Roach:

“Ze hebben ook potentie laten zien in de luchtvaart als actuatoren voor geautomatiseerde systemen zoals die voor deep space grijpen, radardeployments of buitenaardse verkenning.”

DLP, de kernprestatie van dit onderzoek, die werd uitgevoerd door Roach en medewerkers aan Harvard University, de University of Colorado, en Sandia en Lawrence Livermore nationale laboratoria, toonde ons een manier om de moleculen uit te lijnen met een magnetisch veld tijdens een type 3D-printen dat digitale lichtverwerking (digital light processing) wordt genoemd. Het was cruciaal om LCE’s volledig te benutten omdat de vormveranderende eigenschappen van de vloeibare kristallijne elastomeren afhankelijk waren van de uitlijning van de moleculen binnen de materialen. Digitale lichtverwerking maakt gebruik van licht om vloeibare hars te verharden tot solide vormen met precisie.

Terwijl hij de prestaties van de studie benadrukte, zei Roach dat het uitlijnen van de moleculen de sleutel zou kunnen zijn tot het ontgrendelen van het volledige potentieel van LCE’s en het mogelijk maken van hun gebruik in ‘geavanceerde, functionele toepassingen.’ Roach voegde hieraan toe dat hun werk ‘nieuwe mogelijkheden’ opende voor het creëren van geavanceerde materialen die reageren op stimuli op nuttige manieren, wat mogelijk leidt tot innovaties in meerdere velden.

Roach en zijn medewerkende onderzoekers bestudeerden een reeks parameters. Ze varieerden de sterkte van het magnetisch veld en onderzochten hoe dit de moleculaire uitlijning kon beïnvloeden, samen met andere factoren, zoals de dikte van de geprinte laag. De onderzoekers konden ingewikkelde vormen van vloeibare kristallijne elastomeren printen die op specifieke manieren veranderen wanneer ze worden verwarmd.

Roach leidde ook een ander team onderzoekers om verder te kijken naar het mechanische dempingspotentieel van LCE’s. Het onderzoek en de bevindingen zouden nuttig kunnen zijn bij het ontwikkelen van best-in-class automatische schokdempers, seismische dempers en trillingsdempers op bruggen. 

Hoewel het onderzoek en de bevindingen LCE’s instrumenteel kunnen maken in veel gebieden, wordt onderzoek naar structuren van vloeibare kristallijne elastomeren al geruime tijd voortgezet. In de volgende segmenten zullen we een paar van zulke studies bespreken en hoe ze impact kunnen hebben op technologische innovaties om ons heen.

LCE en 4D-printen

In juni 2022 toonde een onderzoeksartikel, gepubliceerd in het tijdschrift Materials Horizons, aan dat door het patroon van orde op structuren toe te passen, LCE’s omkeerbare, hoge-snelheids- en grootschalige actuatie vertonen als reactie op externe stimuli, waardoor nauwe integratie met 4D-printen en architecturen van digitale apparaten mogelijk is, wat zelden wordt waargenomen in homogene zachte polymeer netwerken.

De onderzoekers verzamelden informatie over recente vooruitgangen in 4D-printen van LCE’s, met nadruk op synthese- en verwerkingsmethoden die microscopische veranderingen in de moleculaire oriëntatie mogelijk maakten en daardoor macroscopen veranderingen in de eigenschappen van eindproducten teweegbrachten. Het onderzoek concludeerde dat de combinatie van LCE-4D-printen nuttig kan zijn in de velden van zachte robotica, optica en biomedische apparaten.

Prestaties van LCE’s op biologische celrespons

Een ander onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Polymer Materials in januari 2023, onderzocht de structuren en synthese methoden van LCE’s evenals hun materiaalkunde met nadruk op biochemische en biomechanische kenmerken van cellen vanuit een moleculair perspectief. Het onderzoek onderzocht onder andere factoren zoals het quasi-vloeibare kristallijne gedrag van cellen, de graad van oriëntatieorde in verschillende cellen, en vloeibare kristallijne geïnduceerde topografische signalen als groeiverhogende agenten voor cellen. 

Naast dergelijk onderzoek door wetenschappers op dit gebied, hebben gerenommeerde onderzoekslaboratoria wereldwijd ook interesse getoond in LCE’s en hun evolutie. We bespreken een paar van zulke laboratoria in de volgende segmenten en proberen te begrijpen waarom zij LCE’s cruciaal vinden. 

LCE-evaluatie door Nguyen Lab: Johns Hopkins Whiting School of Engineering

Het laboratorium gelooft dat de visco-elastische eigenschappen van LCE’s benut kunnen worden om transformerende materialen en structuren te ontwerpen met extreem dempingsgedrag. Het laboratorium voerde een studie uit om een fundamenteel begrip te ontwikkelen van de relaxatiemechanismen van hoofdketen LCE’s om het ontwerp van buitengewone dempingsgedragingen van LCE-materialen en -structuren over meerdere lengteschalen mogelijk te maken.

De onderzoekers hypotheseerden dat het verbeterde dempingsgedrag van LCE’s voortkomt uit de koppeling van de relaxatiedynamiek van de mesogenen en het polymeer netwerk en afhankelijk is van de mesogeen orde en ketenuitlijning. Volgens het laboratorium kan intrinsiek dempingsgedrag benut worden in een architectonisch ontwerp om structuren te produceren met extreme demping en energieabsorptie. 

Werk van het Aizenberg Laboratorium van Harvard University aan LCE’s

De visie van het laboratorium was om LCE’s als adaptieve materialen te beschouwen met programmeerbaarheid op moleculair niveau die kansen kunnen creëren voor het rationeel ontwerpen van de volgende generatie responsieve materialen en potentieel gebieden kunnen transformeren variërend van kunstmatige spieren tot zelfreinigende oppervlakken en homeostatische systemen.

Het laboratorium vond LCE’s veelbelovende materialen voor het bereiken van de gewenste programmeerbaarheid en vervormingsmogelijkheden, aangezien ze bestaan uit anisotrope moleculen, mesogenen genaamd, covalent gebonden aan een polymeer achtergrondmateriaal (de elastomer).

Hoewel er verschillende benaderingen bestonden om de uitlijning van de mesogenen voor te schrijven, gebruikte de Aizenberg-groep doorgaans magnetische velden om de vloeibare kristal director op te leggen. Deze methode kan worden toegepast op en geprogrammeerd binnen elke 3D-vorm, waardoor onderzoekers macroscopen vervormingsmodi op moleculair niveau kunnen coderen. 

De Aizenberg-groep, actief als een biomineralisatie- en biomimetica-lab onder de vlag van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, heeft magnetisch uitgelijnde LCE’s gebruikt om een verscheidenheid aan multi-responsieve microstructuren te creëren, zoals micropalen, microplaten, onderling verbonden cellulaire structuren en nauw opeengepakte arrays.

De groep kijkt ernaar uit om hun onderzoek voort te zetten om ons fundamentele begrip van zelfgereguleerde systemen uit te breiden, evenals deze ontwerpen uit te breiden naar toepassingen zoals autonome multimodale actuatoren in schakelbare lijmen, informatie-encryptie, autonome antennes, energieopwekkingssystemen, zachte robots en slimme gebouwen.

Terwijl individueel onderzoek en laboratoriumwerk rond LCE’s in volle gang zijn, kunnen sommige bedrijven hiervan profiteren. We zullen nu een paar van zulke bedrijven bekijken.

Klik hier voor een lijst van top additive manufacturing en 3D-print aandelen.

1. 3D Systems Corp (DDD )

Het bedrijf dat bovenaan de lijst staat wanneer we denken aan het benutten van onderzoek rond LCE’s op commerciële schaal is 3D Systems Corp. Het bestrijkt het volledige spectrum van de 3D-printindustrie, beginnend bij 3D-printers, materialen en software. Het heeft het meest uitgebreide assortiment commerciële 3D-printers, waardoor bedrijven plastic of metalen onderdelen kunnen printen op het moment van behoefte in een fractie van de tijd vergeleken met traditionele productieprocessen.

Het uitgebreide en veelzijdige portfolio van 3D Systems Corp aan 3D-printmaterialen omvat plastic, elastomeer, composiet, was, metaal, biocompatibel en meer. Bovendien voegt het waarde toe aan het gehele systeem via zijn AI-aangedreven software, die is afgestemd op precisie in additive manufacturing en ideaal is voor industriële en gezondheidszorgtoepassingen.

Het bedrijf bedient de breedst mogelijke reeks klanten in sectoren zoals luchtvaart en defensie, automotive, bioprinting, koolstofafvang, consumententechnologie en nog veel meer. 

Het bedrijf heeft een assortiment producten in de elastomeercategorie, inclusief de DulaForm TPU Elastomer, een thermoplastisch elastomeermateriaal met rubberachtige flexibiliteit en functionaliteit. Het kan worden gebruikt voor productie van lage tot middelgrote series consumentengoederen, het vervaardigen van flexibele onderdelen voor industriële toepassingen, het creëren van functionele prototypes van slangen en afdichtingen, en het prototypen en produceren van schoenonderdelen. 

3D System Corp VisiJet® CE-NT materiaal levert elastomerische materiaalle prestaties van topklasse voor functionele prototyping om te voldoen aan een reeks engineering- en ontwerptoepassingen. Het heeft uitstekende treksterkte, en de doorschijnende natuurlijke kleur helpt bij het creëren van levensechte modellen van de menselijke anatomie voor medische modelleringstoepassingen.

3D Systems Corporation kondigde haar financiële resultaten voor het derde kwartaal eindigend op 30 september 2024 aan, op 26 november 2024. Hoewel de omzet van $112,9 miljoen een daling van 9% jaar-op-jaar vertoonde, bleef de klantinteresse in 3D-printtoepassingen groeien, met inkomsten in de Application Innovation Group (AIG) die meer dan 26% jaar-tot-datum groeiden ten opzichte van het voorgaande jaar in industriële markten.

2. Teradyne, Inc.(TER )

Teradyne, Inc. maakt apparatuur die halfgeleiders, draadloze apparaten en andere complexe elektronica test. Hun gereedschappen worden gebruikt in sectoren zoals automotive, luchtvaart, defensie en consumentenelektronica. Ze zijn een belangrijke speler in de wereld van geautomatiseerd testen en industriële automatisering.

Voor het derde kwartaal van 2024 rapporteerde het bedrijf $737 miljoen aan omzet. Het grootste deel daarvan—$543 miljoen—kwam van Semiconductor Test, met Robotics dat $89 miljoen toevoegde. Kleinere bijdragen kwamen van System Test en Wireless Test met respectievelijk $73 miljoen en $33 miljoen.

Liquid Crystalline Elastomers (LCE’s) zouden een grote rol kunnen spelen in de toekomst van Teradyne, vooral in robotica. LCE’s zijn bijzonder omdat ze van vorm kunnen veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan warmte of licht. Dit maakt ze ideaal voor zachte robotica, die flexibiliteit en precisie nodig heeft. Als Teradyne LCE’s in hun robots integreert, zou dit ze aanpasbaarder kunnen maken voor sectoren die geavanceerde automatisering eisen.

3. Zebra Technologies Corporation (ZBRA )

Zebra Technologies Corporation onderscheidt zich in enterprise asset intelligence, met hun mobiele computers, barcodescanners, RFID-lezers en speciale printers, gebruikt in sectoren zoals detailhandel, gezondheidszorg, productie en logistiek.

In het derde kwartaal van 2024 rapporteerde Zebra een omzet van $1,26 miljard, een stijging van 31% ten opzichte van het voorgaande jaar. De aangepaste winst per aandeel kwam uit op $3,49, wat de verwachtingen overtrof en sterke groei aantoonde.

Liquid Crystalline Elastomers zouden een interessante toevoeging kunnen zijn aan Zebra’s portfolio, aangezien deze materialen van vorm veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan warmte of licht, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in zachte robotica of andere adaptieve systemen. Als Zebra deze technologie onderzoekt, zou dit de aanpasbaarheid van hun oplossingen kunnen verbeteren—iets dat industrieën die flexibele automatisering vereisen, waardevol zouden vinden. LCE’s zouden Zebra’s systemen in staat kunnen stellen om in complexere omgevingen te werken of taken uit te voeren die traditionele materialen niet aankunnen.

De toekomst van LCE’s

LCE’s zijn unieke materialen in die zin dat ze het anisotrope gedrag van vloeibare kristallen en de rubberelasticiteit van licht gekruiste polymeren combineren. Traditionele vormgeheugmaterialen zijn niet zo effectief als LCE’s bij het bouwen van zachte actuatoren. LCE’s hebben buitengewone mechanische eigenschappen, goede flexibiliteit, anisotropisch gedrag en omkeerbare vormresponsen. 

Echter, onderzoek rond LCE’s moet meerdere tekortkomingen aanpakken om hun potentieel volledig te realiseren. Onderzoekers hebben ontdekt dat voor zachte materialen, zoals LCE’s, er vaak een afwegingsrelatie bestaat tussen de kenmerken van “hoge actuatiedruk” en “grote actuatiespanning”, die beide sleutel factoren zijn die hun actuatieve prestaties bepalen. 

De onderzoekers hebben ook vastgesteld dat aangezien de meeste LCE’s thermotropisch zijn, het moeilijk is om hun multi-stimulus responsen en afstandsbediening te realiseren, zoals licht-gedreven actuatoren. Een meerderheid van het lopende onderzoek richt zich op het fysiek integreren van verschillende functionele nano-vullingen (fotothermisch, elektrothermisch nano-materiaal, enz.) in LCE-matrices om deze problemen aan te pakken.

Echter, er bestaat twijfel onder onderzoekers dat de slechte dispergeerbaarheid van de functionele vullingen in de LCE-matrix en de zwakke vulling‑matrix interactie kunnen leiden tot fase‑scheiding in composieten, wat resulteert in een verminderde prestatie van de resulterende actuatoren. 

Hoewel ons huidige onderzoek een goedbedoelde stap in die richting is, bestaan er twijfels over het basisbegrip van de relatie tussen moleculaire rangschikking en de actie‑eigenschap van LCE’s. Onderzoekers zien het als een uitdaging om de vervorming of beweging van LCE’s nauwkeurig te controleren.

De nieuwe 3D- en 4D-printtechnologieën die ontwikkeld zijn om LCE’s te verwerken tot geavanceerde architecturen zijn nog steeds gericht op het bouwen van op maat gemaakte apparatuur zonder een goede oplossing voor massaproductie tot nu toe.

Aan de positieve kant is de interesse in LCE’s in de wetenschap- en technologische wereld zichtbaar. Er is een groeiende inzet van LCE’s bij het bouwen van slimme apparaten.

Met groeiende interesse in nieuwe soorten LCE-materialen, geavanceerde 3D micro/nanofabricatietechnologieën, nieuwe actieschema’s en verfijnde manipulatiestrategieën, kunnen LCE‑gebaseerde actuatoren snelle vooruitgang boeken en binnenkort meer geavanceerde toepassingen vinden. 

Klik hier om alles te leren over investeren in 3D-printen.