由弗吉尼亚理工大学(VTU)领导的跨学科研究团队大分子创新研究所(信息产业部)与米其林北美创造一种新型的3D打印乳胶橡胶材料。
通过将光引发剂和其他化合物添加到乳胶液体混合物中，该团队能够将支撑支架整合到聚合3D打印过程中。江南平台版江南平台版这项新技术产生了一种新型乳胶材料，具有更好的凝聚力，这可能导致其未来在软机器人、医疗设备和减震器等领域的应用。
“当我还是一名研究这项技术的研究生时，我们很高兴能够从我们可以创造的形状中获得独特的性能，但潜在的假设是我们必须使用非常差的材料，”MII的L.S. Randolph机械工程教授克里斯托弗威廉姆斯说。“这一发现令人兴奋的地方在于，它能够突破我们所认为的印刷材料性能极限。”
立体光刻3D打印和乳胶江南平台版江南平台版
还原光聚合，也称为立体光刻3D打印，可以制造精确和复杂的几何形状，以这种方式打印的物体通常包含高度交联的聚合物网络。江南平台版江南平台版有些材料的零件会变脆。此外，由于成功的光固化要求这些交联存在以保持特征保真度，因此产生的部件通常具有有限的弹性。
为了将弹性体物体3D打印用于最终用途，它们必须能够可逆地变形到高伸长。到目前为止，实现这一目标所需的交联点之间的高分子量，只能通过减少交联量来实现，因此VTU团队需要一种不同的方法。此外，现有研究中产生的材料，例如由北卡罗莱纳州立大学2017年，在稀释剂中存在聚合物溶解度低、溶液粘度高的问题。因此，材料和机器的基本进步是必要的，以解决印刷性和最终性能之间的矛盾。
参与该项目的机械工程五年级博士生Viswanath Meenakshisundaram解释说:“乳胶处于禅宗状态。”“如果你往里面添加任何东西，它就会完全失去稳定性，然后崩溃。”为了解决这个问题，VTU团队开发了一种技术，使用水溶性网络前体来制造一个可调节的支架，这个支架包围了乳胶颗粒，并促进了它们的结合。这种新方法还利用了分散聚合物的机械性能，而不会破坏3D打印过程中定义的复杂几何特征。江南平台版江南平台版
“在设计支架时，你最需要担心的是所有东西的稳定性，”工业信息产业部长研究小组大分子科学与工程专业五年级学生菲尔·斯科特补充道。“这需要大量的阅读，甚至是像了解胶体为什么稳定以及胶体稳定性如何工作这样的基本内容，但这是一个非常有趣的挑战。”
弗吉尼亚理工大学团队的3D打印技术江南平台版江南平台版
VTU团队的方法首先是在乳胶的连续水相中添加网络前体和光引发剂，以实现支撑支架的光生成。在3D打印过程中，紫外线照射会引发这些江南平江南平台版台版前体的光交联，在乳胶颗粒周围形成支撑支架，从而产生独立的“绿体”水凝胶。
随后对所述绿体进行干燥和退火，使所述聚合物颗粒能够在整个所述打印对象中扩散和凝聚。这导致了半互穿聚合物网络(sIPN)，由光交联支架网络组成，用于设计物体的3D形状，以及纠缠的高分子量乳胶聚合物。Meenakshisundaram将3D打印过程描述为“渔网捕鱼江南平台版”。江南平台版
“脚手架给了它一个形状。一旦你把它放进烤箱，水就会蒸发，紧密缠绕的聚合物链就会放松、扩散或流动，并渗透到网中。”
在该工艺的3D打印阶段江南平江南平台版台版，VTU团队使用定制的3D打印机光引发聚合物混合物。尽管如此，即使使用定制的系统，流体乳胶颗粒也会导致乳胶树脂表面投射的紫外线外散射，从而导致打印部件不准确。为了解决这个问题，Meenakshisundaram在打印机上嵌入了一个摄像头，以捕捉每一桶乳胶树脂的图像。通过他的自定义算法，机器能够“看到”紫外线在树脂表面的相互作用，并自动调整打印参数以纠正树脂散射。江南平台版
“Viswanath提出了嵌入一个摄像头的想法，观察光与材料的相互作用，并根据他的代码更新打印参数，”Williams解释说，称赞了跨学科团队的方法。江南平台版“这就是我们对博士生的期望:我们提供一个愿景，他们实现这个愿景，并超越自己，成为一名独立的研究人员。”
测试研究人员的新型3D打印乳胶材料
为了证明支架的功能，它必须避免破坏乳胶的稳定性，能够快速光固化成坚固的网络，并显示出良好的印刷性，从而能够生产出坚固的最终用途部件。为了测试其功能，VTU团队3D打印了一系列光固化乳胶物体。由此产生的样品制作得非常详细，并且显示出比现有乳胶材料显著提高的强度，其伸长率超过500%，平均断裂应力为9.7 MPa。
该团队的新方法也使机械坚固耐用的制造成为可能可重复使用的弹性模具，可以用于复杂几何形状的软成型，而以前使用硬模具是不可能的。作为概念验证，使用Field的金属在3D打印SBR sIPN模具中铸造了一个叶轮，随后在不损坏任何组件的情况下移除。动态光散射(DLS)测量也对新的乳胶模型进行了测量，这些结果证实了研究人员确实生产了一种稳定的苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)弹性体。
VTU研究人员总结道:“这项工作扩大了具有复杂特征的VP弹性体打印的机会，其可扩展性超过江南平台版500%，比领先的商业VP弹性体高出近200%。”“这种方法的可调节性和模块化，当与不同的支架和聚合物颗粒组合在一起时，表明了SBR乳胶和弹性体之外的多功能性。”
3D打印行业的弹性体材料江南平台版江南平台版
如前所述，虽然弹性体材料提供的柔韧性和强度使它们成为理想的选择，但它们的脆弱性往往限制了它们的使用。在引入这些材料的地方，这些材料主要用作熔丝制造(FFF) 3D打印应用中的树脂。江南平台版江南平台版
三维系统例如，已经启动了一个图4橡胶- 65a块用于3D打印的弹性体江南平台版江南平台版该材料具有高断裂伸长率，具有灵活性和耐用性，非常适合用于空气/粉尘垫片和电子产品的密封件等。
同样的,瓦克总部位于慕尼黑的化学集团ACEO硅橡胶3D打印品牌，已经推出了江南平台版江南平台版新型有机硅弹性体材料。ACEO弹性体设计用于典型的硅酮应用，如汽车或航空航天工业，抗拉强度可达60邵氏硬度。
Fillamentum工业同时，捷克3D打印长丝生产商Fillamentum的性能应用品牌，推出了包括a江南平台版江南平台版柔性TPE弹性体树脂。这种可回收、无毒的材料具有冲击、回弹和化学弹性，适用于大多数商用FFF 3D打印机。江南体育娱乐官方网站
研究人员的研究结果在他们题为“江南平江南平台版台版3D打印乳胶:通往高分子量聚合物复杂几何形状的途径发表于应用材料与界面日报》。该报告由Philip J. Scott、Viswanath Meenakshisundaram、Maruti Hegde、Christopher R. Kasprzak、Christopher R. Winkler、Keyton D. Feller、Christopher B. Williams和Timothy E. Long共同撰写。
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特色图片显示了使用VTU团队的乳胶弹性体材料制作的3D模型。照片来自《应用材料与界面》杂志。
