弗吉尼亞理工大學(xué)研究員開(kāi)發(fā)出3D打印乳膠的新穎工藝?

弗吉尼亞理工大學(xué)研究員開(kāi)發(fā)出3D打印乳膠的新穎工藝 
乳膠，通常被用來(lái)制作成手套或涂料的材料，是指纏繞在分散在水中的納米粒子內部的一組聚合物，一種長(cháng)而重復的分子鏈。一種用于3D打印膠乳和其他類(lèi)似橡膠材料的新方法稱(chēng)為彈性體，可用于各種應用，包括軟機器人、醫療設備或減震器。
 
 

3D打印的乳膠在科學(xué)文獻中只出現過(guò)幾次。之前的例子中沒(méi)有一個(gè)接近于由高分子創(chuàng )新研究所（MII）、科學(xué)學(xué)院和工程學(xué)院的跨學(xué)科團隊打印的乳膠的機械性能。

 

通過(guò)在化學(xué)和機械工程學(xué)科上的創(chuàng )新，該團隊克服了3D打?。ㄒ脖环Q(chēng)為增材制造）的一些長(cháng)期局限性。研究人員對液態(tài)乳膠進(jìn)行了化學(xué)改性，使其可打印，并制造了一個(gè)嵌入計算機視覺(jué)系統的定制3D打印機，以打印這種準確、高分辨率為特點(diǎn)的高性能材料。

 

“這個(gè)項目代表了典型的跨學(xué)科研究，”化學(xué)教授Timothy Long說(shuō)。他和機械工程L.S. Randolph教授、MII臨時(shí)主任Christopher Williams一起參與此項目研究。“如果沒(méi)有另一個(gè)實(shí)驗室，我們兩個(gè)實(shí)驗室都無(wú)法做到這一點(diǎn)。”

 

該項目是弗吉尼亞理工大學(xué)和米其林北美公司的聯(lián)合合作項目，得到了國家科學(xué)基金獎與工業(yè)學(xué)術(shù)聯(lián)絡(luò )計劃的資金支持。他們的初步研究結果的詳細資料發(fā)表在A(yíng)CS Applied Materials＆Interfaces雜志上。

 

新型材料的開(kāi)發(fā)

 

經(jīng)過(guò)未能成功地合成出能夠提供理想分子量和機械性能的材料的嘗試，研究小組中的五年級高分子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生Phil Scott轉向了商業(yè)液態(tài)乳膠的研究。

 

研究人員最終希望以固體3D打印形式使用這種材料，但Scott認為首先需要增加化學(xué)成分以使其能夠打印。他遇到了一個(gè)根本性的挑戰：液態(tài)乳膠非常脆弱，化學(xué)成分很難改變。

 

與Scott合作的增材制造系統實(shí)驗室的設計、研究和教育專(zhuān)業(yè)、機械工程博士學(xué)位五年級學(xué)生Viswanath Meenakshisundaram說(shuō)：“膠乳處于液體狀態(tài)。如果您添加任何東西，它將完全失去穩定性并崩潰。”

 

針對此挑戰，化學(xué)家們提出了一個(gè)新的主意：如果Scott在乳膠顆粒周?chē)ㄔ煲粋€(gè)類(lèi)似于建筑結構的支架，將支架固定在原處，如何呢？這樣，乳膠可以保持其良好的結構，Scott可以在乳膠中添加光引發(fā)劑和其他化合物，從而能夠使用紫外線(xiàn)（UV）進(jìn)行3D打印。”

 

Scott說(shuō)：“在設計腳手架時(shí)，我們最大的擔心是一切的穩定性?；诖?，我們需要大量閱讀相關(guān)書(shū)籍，甚至是學(xué)習膠體為什么穩定以及在膠體穩定性情況下如何工作的基礎知識，但這是一個(gè)非常有趣的挑戰。”

 

工程領(lǐng)域的新型加工開(kāi)發(fā)

 

當Scott“修補”液態(tài)乳膠時(shí)，Meenakshisundaram必須弄清楚如何正確打印樹(shù)脂。研究人員選擇使用一種稱(chēng)為桶式光聚合的工藝，該打印機使用紫外線(xiàn)將粘性樹(shù)脂固化或硬化為特定形狀。

 

Meenakshisundaram需要一臺能夠在大面積上打印高分辨率特征的打印機，因此建造了一臺新打印機。他和他的顧問(wèn)Williams提出了在大面積上掃描紫外線(xiàn)的想法，并于2017年為該打印機申請了專(zhuān)利。

 

即使使用定制打印機，液體乳膠顆粒也會(huì )在乳膠樹(shù)脂表面上投射的紫外光之外散射，從而導致打印不正確的零件，因此Meenakshisundaram提出了第二個(gè)新穎的想法。他將一臺照相機嵌入打印機，以捕獲每桶乳膠樹(shù)脂的圖像。借助他的自定義算法，該機器能夠“看到”紫外線(xiàn)在樹(shù)脂表面上的相互作用，然后自動(dòng)調整打印參數以校正樹(shù)脂散射，從而僅固化所需的形狀。

 

Williams說(shuō)：“大面積掃描打印機是我所擁有的一個(gè)新概念， Viswanath很快就將它變成了現實(shí)。然后， Viswanath提出了嵌入相機的想法，觀(guān)察光與材料的相互作用，并根據他的代碼更新打印參數。這就是我們所想要的合作伙伴：我們提供了一個(gè)愿景，他們實(shí)現了這一愿景，并超越了獨立研究者的范圍。”

 

Meenakshisundaram和Scott發(fā)現了他們最終的3D打印乳膠零件在被稱(chēng)為半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò )的基體中表現出強大的機械性能，而在現有文獻中尚未有此記錄。

 

Meenakshisundaram說(shuō)：“相互滲透的聚合物網(wǎng)絡(luò )就像在網(wǎng)中捉魚(yú)一樣。腳手架賦予了它一個(gè)形狀。一旦將它放進(jìn)烤箱，水就會(huì )蒸發(fā)，緊密纏繞的聚合物鏈會(huì )松弛、擴散或流動(dòng)，并滲透到網(wǎng)中。”

 

分子制造方法

 

在材料開(kāi)發(fā)和加工方面的新進(jìn)展突顯了這兩個(gè)群體之間培育的跨學(xué)科環(huán)境。

 

Long和Williams都贊揚對方的專(zhuān)業(yè)知識，使集體研究突破成為可能。

 

“我的理念是，只有與與您截然不同的人合作時(shí)，才能實(shí)現這些類(lèi)型的創(chuàng )新，” Long說(shuō)。

 

兩位教授表示，3D打印乳膠為從硬質(zhì)塑料到軟橡膠的一系列前所未有的材料的打印提供了概念框架，這些材料迄今為止一直無(wú)法打印。

 

Williams說(shuō)：“當我是一名研究該技術(shù)的研究者時(shí)，我們很高興能從可以制造的形狀中獲得獨特的性能，但基本的假設是我們必須使用非常差的材料來(lái)做。與Tim小組一起進(jìn)行的這項發(fā)現讓我們非常興奮，因為我們能夠突破我們認為是打印材料性能極限的挑戰。”