En rundvisning i trykkeriets grænser

Der kan ikke være mange forskningsmiljøer, hvor forskere i ét laboratorium undersøger brugen af ​​grafen som grundlag for genanvendeligt tøj af høj kvalitet; mens deres jævnaldrende langs korridoren kører et kursus i den gamle japanske træbloktrykteknik Mokuhanga. Det er dog præcis, hvad der sker på Center for Printforskning (CFPR) ved University of the West of England (UWE) i Bristol, hvor skellene mellem kunst – videnskab og industri – akademiske verden bygges bro på daglig basis.

Efter en etos af konvergens, samarbejde og co-creation er CFPR en tværfaglig virksomhed, der samler seniorforskere, postgraduates, tekniske specialister og lærlinge; i alt fra kunsttryk og design, til fysik, materialevidenskab og teknik. Deres mål er at levere innovative løsninger til fremtidens print ved at udføre empiriske undersøgelser af den kunstneriske, historiske og industrielle betydning af kreative printpraksisser, processer og teknologier.

Den anvendte fysiker

Tilpasningsevne og åbenhed over for nye forskningsforløb er en forudsætning for CFPR. Tag for eksempel anvendt fysiker Susanne Klein. Efter at have studeret medicinsk fysik skiftede Klein til optisk forskning. Hun tilbragte derefter to årtier som industriel R&D-forsker ved HP Labs i Bristol, hvor hendes forskningsprogram spændte fra kolloid kemi, flydende krystaller og avancerede displaymaterialer til 3D-printteknologier og optisk kryptografi. Nu leder Klein et femårigt projekt ved CFPR. Finansieret til en værdi af £1.2 millioner, dets mål er at genskabe forskellige 19^thårhundredes trykprocesser for at gøre dem billigere, hurtigere og mere tilgængelige.

En teknik, Klein studerer og moderniserer, er Woodburytype, som var den første kommercielt succesrige fotomekaniske trykmetode til at gengive den kontinuerlige tone af fotografier. Patenteret i 1864 af den britiske opfinder Walter Woodbury, begynder processen med et "våd-kollodion"-negativ, som var den fotografiske teknik, der blev brugt på det tidspunkt. Negativet lægges over et lag tør, dikromatiseret gelatine og sættes i sollys i ca. 60 minutter. Enhver gelatine, der ikke udsættes for lys gennem negativen, forbliver vandopløselig og vaskes simpelthen væk.

Resultatet er et forbløffende robust 3D-relief (en form) af billedet, som kan presses ind i bly ved hjælp af en hydraulisk presse. Blytrykpladen olieres derefter, fyldes med en varm gelatine pigmenteret med sod og dækkes med papir, inden den går i en trykpresse. Efter cirka fem minutter trækkes papiret af, og når blækket er tørt, bliver trykket til sidst fladt ud og trimmet. Oprindeligt kunne der laves op til 10 trykplader af et enkelt gelatine-relief, og disse kunne monteres i en trykkarrusel til massetryk.

"Da Woodburytype-tryk er baseret på pigmenteret gelatine, er de fuldstændig arkiverbare, fordi sod eller kønrøg er ekstremt 'lyshurtigt', og gelatine vil ikke forringes eller ændre sig kemisk, så længe den ikke udsættes for ekstrem fugt," siger Klein. “Selvom den originale proces er tidskrævende og blev forældet, da litografien tog fart, er billedkvaliteten uovertruffen. Selv i dag er Woodburytype stadig den eneste fotomekaniske gengivelsesmetode med kontinuerlige toner."

Ved at gense teknikken har Klein og hendes kolleger udviklet to alternative veje til at skabe Woodburytype-tryk med moderne materialer. "I én metode," forklarer Klein, "følger vi den originale arbejdsgang, men erstatter dichromeret gelatine med fotopolymer og bly med silicium." På denne måde reduceres eksponeringstiden fra 60 minutter til sekunder, mens trykplader kan laves inden for timer frem for dage. En endnu hurtigere metode bruger en laserskærer til at skabe et relief i akryl - producerer for eksempel en 10 gange 15 cm trykplade på 10 minutter. Laserskærerens præcision betyder også, at de lag af cyan, magenta, gul og sort, der er nødvendige for at skabe fuldfarvebilleder, nemt kan printes oven på hinanden.

Begge metoder er attraktive for kunstudøvere til at skabe originale kunstværker, men de er også interessante for virksomheder, der søger en miljøvenlig måde at skabe high-end fotografiske reproduktioner til kunstinstallationer og kommerciel reklame i offentlige rum. Fordelene er, at laserskæring af trykplader er energieffektiv og næsten ikke producerer affald, mens blækket er gelatinebaseret (et affaldsprodukt fra kødforarbejdningsindustrien). Ydermere er printene biologisk nedbrydelige, og blækket kan fjernes fra papiret ved at vaske med vand.

Et andet undersøgelsesområde for Klein involverer industriel anvendelse af "strukturel farve", hvor farve ikke genereres af pigmenter, men af ​​mikroskopiske mønstre, der reflekterer og bryder lys på unikke måder (som i en sommerfugls vinger). En spændende mulighed er at indføre yderligere lag af kolesteriske (chirale nematiske) flydende krystaller i relieffet af en Woodburytype for at udskrive strukturelle farver. Med de passende materialer kunne den flydende krystal orienteres af laget og de originale trykte farver ændres ved at påføre et magnetisk eller elektrisk felt, ikke ulig en bistabil skærm.

Mulige anvendelser omfatter anti-forfalskning til mærkning af luksusvarer, designermode og lægemidler. "Den kommercielle mulighed her er betydelig," tilføjer Klein. "Udfordringen er at producere sikker emballage med trykfarver, der skifter farve, hver gang en vare godkendes på forskellige stadier af forsyningskæden på vej til kunden."

Materialeforskeren

Kleins kollega Nazmul Karim – forskningsleder i centrets Graphene Application Laboratory – er en anden akademiker, der tilsyneladende er skræddersyet til CFPR's tværfaglige smeltedigel. Før han kom til UWE i 2019, brugte Karim fire år på at arbejde med grafenbaseret, højtydende funktionstøj og bærbare elektroniske tekstiler (e-tekstiler) på National Graphene Institute ved University of Manchester, UK.

Hans nuværende forskningsinteresser – som er en del af CFPR's nyt materialeprogram – omfatter forberedelse af grafen (via eksfoliering og funktionalisering) grafen og andre 2D-materialer til e-tekstilapplikationer. Karim studerer også, hvordan man laver wearables af grafen via meget skalerbare fremstillingsteknikker såsom belægning og print (dvs. med grafen "blæk" påført direkte på tekstiler). "Mit team brænder for at introducere smarte materialer og kunstig intelligens til trykt elektronik til ikke-invasive personaliserede sundhedsapplikationer," siger Karim.

Gruppens seneste resultater, i høj grad baseret på arbejde udført af ph.d.-studerende Md. Rashedul Islam, demonstrere den håndgribelige kommercielle mulighed, der tager form. Islam har udviklet en alsidig e-tekstiler platform, der er fuldt printet, meget ledende, fleksibel og maskinvaskbar. Materialet kan lagre energi ved hjælp af trykte grafen-superkondensatorer, mens det overvåger en række fysiologiske indikatorer, såsom hjertefrekvens, hudtemperatur og diverse aktivitetsmålinger. Endnu mere imponerende er det, at prototypen af ​​e-tekstil, når den formes til et separat pandebånd, kan optage hjerneaktivitet (et elektroencefalogram eller EEG) til samme standard som konventionelle stive elektroder. I øjeblikket oplades superkondensatorerne ved hjælp af en ekstern strømkilde, men målet er at gøre dem selvforsynende i fremtiden ved at introducere energi-høstende funktionalitet.

Fremstillingsprocessen udnytter en meget skalerbar serigrafiteknik, hvor den grafenbaserede blæk føres gennem et specialdesignet mesh på et groft og fleksibelt tekstilsubstrat. De ledende spor er derefter indkapslet for isolering og beskyttelse, for at producere en maskinvaskbar e-tekstiler platform. Håbet er, at tidlige succeser som denne vil åbne vejen for volumenproduktion af multifunktionelle grafen-baserede e-tekstilbeklædningsgenstande, hvor hvert stykke tøj har et netværk af bærbare sensorer og drives af energien lagret i grafen-baseret. tekstil superkondensatorer.

På en relateret front undersøger Graphene Application Laboratory brugen af ​​grafen og andre funktionelle materialer (herunder antimikrobielle belægninger) som grundlag for genanvendeligt tøj af høj kvalitet. Lige nu er omkring 55 % af tekstilerne lavet af syntetiske polyestere – oftest polyethylenterephthalat (PET), som ikke er biologisk nedbrydeligt og kan forblive i miljøet i hundreder af år. "Forståeligt nok er der stigende interesse fra modemærker og detailhandlere for at gå væk fra jomfru PET til genbrugspolymer (rPET)-baserede polyesterstoffer med reduceret miljøpåvirkning," siger Karim.

Problemet er, at nuværende iterationer af rPET lider af termisk ældning og nedbrydes som et resultat af tilfældig blanding med andre materialer under genanvendelsesprocessen. Det er stadig tidlige dage, bemærker Karim, men de første resultater fra CFPR viser lovende, hvor grafenforstærket rPET allerede er blevet spundet til fibre, der er lettere, mekanisk mere robuste og nemmere at genbruge. "Dette bliver et langt spil," tilføjer Karim, "og vi får brug for vedvarende samarbejde på tværs af innovationsøkosystemet. Det betyder, at akademiske grupper som vores arbejder hånd i hånd med leverandører af grafen, tekstilproducenter og de store mode- og tøjforhandlere."

Den keramiske designer

En helt anden fremstillingsmulighed optager Tavs Jørgensen, en keramiker og designer i den keramiske industri, før han fortsatte med at forfølge en karriere i den akademiske verden. Jørgensen er i spidsen for CFPRs F&U-indsats i digital fremstilling, med det formål at fremskynde den hidtil begrænsede anvendelse af 3D-printteknologier, computerstyret bearbejdning og robotteknologi i keramisk produktion.

Jørgensen og hans team er særligt interesserede i en produktionsproces kendt som ekstrudering. Dette er, når blødt og formbart ler tvinges gennem en kanal eller "matrice", der giver materialet en bestemt tværsnitsform og giver en kontinuerlig lineær lerstrimmel, der kan skæres i stykker for at producere individuelle dele såsom mursten , fliser, beklædning og andre arkitektoniske komponenter. Industrielle ekstrudere bruges til at fremstille specialiserede keramiske dele, herunder filtre til katalysatorer og højtemperaturkomponenter til ovne og autoklaver. I mellemtiden findes håndbetjente ekstruderingssystemer ofte i håndværksværksteder for at skabe håndtag og engangsdekorationselementer til støtte for andre produktionsmetoder såsom presning og støbning. "Vores udfordring," siger Jørgensen, "er, hvordan vi kan udnytte digitale teknologier og robotteknologi til at udvide de nuværende anvendelser af lerekstrudering til mere innovative kommercielle og designbaserede applikationer."

Holdets standardindstilling er i vid udstrækning baseret på praktiske eksperimenter. "Nogle gange udføres tests som åbne udforskninger med meget uforudsigelige resultater, en tilgang drevet hovedsageligt af nysgerrighed - hvad sker der, når vi gør dette?" Grundlæggende fysisk og materialemæssig indsigt er et vigtigt element i forståelsen af, hvordan leret opfører sig. For eksempel krymper de ekstruderede lerstykker under tørringen og brændingen med omkring 10-15 %, og de kan bøjes og revne på grund af spændinger fra ekstruderingsprocessen.

"Karten af ​​lerekstruderingen gør teoretiske beregninger af resultatet udfordrende," siger Jørgensen, "selvom der er blevet gjort noget arbejde for at udvikle algoritmer, der kan hjælpe med at forudsige lerstrømmen i en ekstruderingssituation." I et opportunistisk tværfagligt bånd henvendte Jørgensen sig til ekspertisen fra Damien Leech – en tidligere CFPR-teoretisk fysiker, der nu er baseret på det belgiske nanoelektronikcenter imec – at udvikle modeller, der forudsiger, hvordan bestemte formgeometrier kan påvirke de tryk, der er nødvendige for at ekstrudere ler. "Mens empiriske test fortsat er kernemetoden i undersøgelserne," tilføjer Jorgensen, "har den teoretiske modellering vist sig at være uvurderlig, hvilket giver en grundlæggende forståelse af, hvilke geometrier der bedst kan anvendes i de fysiske eksperimenter i den virkelige verden."

Holdet er også ved at skabe værktøjsarbejdsgange, der gør det muligt hurtigt at prototype og afprøve nye matricedesigns til 3D-print, hvilket åbner op for applikationer til keramisk ekstrudering i højtydende industrielle applikationer. Front-and-center er CFPR's R&D-samarbejde med National Composites Center (NCC) i Bristol. De er interesserede i potentialet for ekstrudering af keramiske matrixkompositter (CMC'er), en klasse af materialer, hvor keramisk pasta blandes med uorganiske bindemidler for at øge brudsejheden under mekanisk eller termomekanisk belastning.

CFPR/NCC-partnerne er i øjeblikket ved at definere og iterere processpecifikationerne – herunder de understøttende værktøjer, jigs, komponenter og arbejdsgange. På lang sigt kigger de dog på alle mulige applikationer i sektorer som elproduktion og rumfart, hvor CMC'er i stigende grad bruges til højtemperatur-varmeafskærmningssystemer. "Ekstrudering er en helt ny måde at producere CMC'er på," siger Jørgensen, "og denne forskning åbner mulighed for, at vi kan skabe CMC-dele med eksotiske geometrier, såsom rør og profiler med komplekse indre strukturer." Sådanne CMC-rør tiltrækker interesse for den næste generation af atomkraftværker, mens ekstruderingsprocessen har potentiale til at understøtte Storbritanniens netto-nul kulstofmål for byggematerialer, hvor Jorgensen og kolleger udforsker ekstrudering af ubrændt ler- og fiberblandinger til lav- kulstof byggekomponenter.

En åben tankegang og åben for forretning

Hvis konvergens, samarbejde og samskabelse er grundlæggende for CFPR-forskningsmodellen, så er centrets blanding af kunstnere, designere, videnskabsmænd og teknologer, der arbejder på tværs af både traditionelle og digitale printdiscipliner, også.

Gruppen samler også mennesker med forskellige baggrunde med forskere fra såvel industri som akademisk verden. Denne blanding af ekspertise og erfaring understøtter CFPR's brede internationale akademiske og industrielle samarbejder; med kommercielle partnere, herunder specialiserede trykkerier, keramikproducenter og multinationale teknologivirksomheder. Fælles F&U-projekter spænder fra målrettet kontraktforskning og gennemførlighedsundersøgelser til fælles udvikling af avancerede materialer, processer og komplette printsystemer.

Det er tydeligt, at der ikke er nogen fast og hurtig regelbog om samarbejde på CFPR, snarere variationer over et tema, hvor fordomsfri tænkning blandes med kreativitet, videnskab og teknologisk innovation i avanceret printpraksis.