Single-Step Fabrication and Programming of Shape-Memory Polymers

形状记忆聚合物的一步制造和编程

基本信息

  • 批准号:
    2022421
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 43.75万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-01-15 至 2024-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Manufacturing technologies that employ smart materials have the potential to revitalize American manufacturing in diverse areas, such as aerospace, biomedicine, energy, and healthcare, through creation of devices that can perform dynamic functions that cannot be achieved by any current approach. Gaps in understanding of the design and preparation of smart materials and the effects of materials processing on their properties and functionality has led to limited fabrication paradigms. This work investigates the fundamental science underlying the interaction of programmed temperature-induced strains and the changes in shape upon heating of shape memory polymers. A process termed Programming-via-Printing will enable single-step fabrication of fully 3D, solid or porous devices with uniform or spatially varying functionality from individual, rather than composite, smart materials using 3D printers. This research has the potential not only to promote the progress of science through improved fundamental understanding of manufacturing of smart materials but will advance the national health, prosperity, and welfare by broadly impacting the many fields using smart materials. Improved understanding will bring the manufacturing of complex smart material devices to new application areas. The multi-disciplinary approach and integrated science and engineering education activities will help broaden participation of underrepresented groups in research and democratize and facilitate spread of the technology developed.The research will use integrated, interdisciplinary experimentation and simulation to contribute in-depth understanding of advanced manufacturing principles for application of shape-memory polymers in 3D printing. Strains programmed in 3D shape-memory polymers during printing can be quantitatively understood, predicted, and controlled to create complex shapes and functions not currently achieved. The research will: study and tune programming of shape-memory during printing; model determinants of shape-memory from synthesis through printing to understand, predict, and control function; and design, characterize, and study in proof-of-concept shape-memory polymer devices that can only be prepared when programmed via printing. These contributions are significant, because they are expected to provide new fundamental manufacturing understanding of the design, development, and modification of shape-memory polymers for 3D printing while also broadly enabling future applications of shape-memory polymers in 3D printing through study of the Programming-via-Printing approach and discovery of new manufacturing phenomena that can only be studied or applied when shape-memory is programmed via printing.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
使用智能材料的制造技术有可能重振美国多个领域的制造业,如航空航天、生物医学、能源和医疗保健,通过创造能够执行任何当前方法无法实现的动态功能的设备。在对智能材料的设计和制备以及材料加工对其性能和功能的影响方面的理解差距导致了有限的制造范例。这项工作研究了程序化温度诱导应变和形状记忆聚合物加热时形状变化之间的相互作用的基础科学。一种称为通过打印编程的过程将允许使用3D打印机一步制造具有统一或空间变化功能的全3D、固体或多孔设备,而不是单独的、而不是复合的智能材料。这项研究不仅有可能通过提高对智能材料制造的基本理解来促进科学进步,而且还将通过广泛影响使用智能材料的许多领域来促进国家健康、繁荣和福利。认识的提高将把复杂智能材料设备的制造带入新的应用领域。这种跨学科的方法和综合的科学和工程教育活动将有助于扩大未被充分代表的群体对研究的参与,并使所开发的技术民主化和促进传播。研究将使用综合的、跨学科的实验和模拟来帮助深入了解先进的制造原理,将形状记忆聚合物应用于3D打印。在打印过程中,3D形状记忆聚合物中编程的应变可以被定量地理解、预测和控制,以创造出目前无法实现的复杂形状和功能。这项研究将:研究和调整印刷过程中形状记忆的编程;从合成到印刷的形状记忆模型决定因素,以了解、预测和控制功能;以及设计、表征和研究只能通过印刷编程才能制备的概念验证形状记忆聚合物装置。这些贡献意义重大,因为它们有望为3D打印的形状记忆聚合物的设计、开发和修改提供新的制造基础理解,同时还通过研究打印编程方法和发现只有在通过打印对形状记忆编程时才能研究或应用的新制造现象,使形状记忆聚合物在3D打印中的未来应用成为可能。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Large Biaxial Recovered Strains in Self‐Shrinking 3D Shape‐Memory Polymer Parts Programmed via Printing with Application to Improve Cell Seeding
自收缩 3D 形状中的大型双轴恢复应变 - 通过打印进行编程的记忆聚合物部件,并应用以改善细胞接种
  • DOI:
    10.1002/admt.202201997
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.8
  • 作者:
    Pieri, Katy;Liu, Di;Soman, Pranav;Zhang, Teng;Henderson, James H.
  • 通讯作者:
    Henderson, James H.
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  • DOI:
    10.1089/3dp.2021.0072
  • 发表时间:
    2021-10-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Pieri, Katy;Felix, Bailey M.;Henderson, James H.
  • 通讯作者:
    Henderson, James H.
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2022-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    14
  • 作者:
    Narkar AR;Tong Z;Soman P;Henderson JH
  • 通讯作者:
    Henderson JH
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Xiong Z;Poudel A;Narkar AR;Zhang Z;Kunwar P;Henderson JH;Soman P
  • 通讯作者:
    Soman P
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  • 资助金额:
    $ 43.75万
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  • 资助金额:
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