弗吉尼亞理工大學(xué)研究員開發(fā)出3D打印乳膠的新穎工藝 
乳膠，通常被用來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(nèi)部的一組聚合物，一種長而重復(fù)的分子鏈。一種用于3D打印膠乳和其他類似橡膠材料的新方法稱為彈性體，可用于各種應(yīng)用，包括軟機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備或減震器。
 
 

3D打印的乳膠在科學(xué)文獻(xiàn)中只出現(xiàn)過幾次。之前的例子中沒有一個接近于由高分子創(chuàng)新研究所（MII）、科學(xué)學(xué)院和工程學(xué)院的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)打印的乳膠的機(jī)械性能。

 

通過在化學(xué)和機(jī)械工程學(xué)科上的創(chuàng)新，該團(tuán)隊(duì)克服了3D打印（也被稱為增材制造）的一些長期局限性。研究人員對液態(tài)乳膠進(jìn)行了化學(xué)改性，使其可打印，并制造了一個嵌入計算機(jī)視覺系統(tǒng)的定制3D打印機(jī)，以打印這種準(zhǔn)確、高分辨率為特點(diǎn)的高性能材料。

 

“這個項(xiàng)目代表了典型的跨學(xué)科研究，”化學(xué)教授Timothy Long說。他和機(jī)械工程L.S. Randolph教授、MII臨時主任Christopher Williams一起參與此項(xiàng)目研究。“如果沒有另一個實(shí)驗(yàn)室，我們兩個實(shí)驗(yàn)室都無法做到這一點(diǎn)。”

 

該項(xiàng)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(xiàng)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(jié)果的詳細(xì)資料發(fā)表在ACS Applied Materials＆Interfaces雜志上。

 

新型材料的開發(fā)

 

經(jīng)過未能成功地合成出能夠提供理想分子量和機(jī)械性能的材料的嘗試，研究小組中的五年級高分子科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生Phil Scott轉(zhuǎn)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(rèn)為首先需要增加化學(xué)成分以使其能夠打印。他遇到了一個根本性的挑戰(zhàn)：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(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計、研究和教育專業(yè)、機(jī)械工程博士學(xué)位五年級學(xué)生Viswanath Meenakshisundaram說：“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(wěn)定性并崩潰。”

 

針對此挑戰(zhàn)，化學(xué)家們提出了一個新的主意：如果Scott在乳膠顆粒周圍建造一個類似于建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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（UV）進(jìn)行3D打印。”

 

Scott說：“在設(shè)計腳手架時，我們最大的擔(dān)心是一切的穩(wěn)定性。基于此，我們需要大量閱讀相關(guān)書籍，甚至是學(xué)習(xí)膠體為什么穩(wěn)定以及在膠體穩(wěn)定性情況下如何工作的基礎(chǔ)知識，但這是一個非常有趣的挑戰(zhàn)。”

 

工程領(lǐng)域的新型加工開發(fā)

 

當(dāng)Scott“修補(bǔ)”液態(tài)乳膠時，Meenakshisundaram必須弄清楚如何正確打印樹脂。研究人員選擇使用一種稱為桶式光聚合的工藝，該打印機(jī)使用紫外線將粘性樹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(jī)，因此建造了一臺新打印機(jī)。他和他的顧問Williams提出了在大面積上掃描紫外線的想法，并于2017年為該打印機(jī)申請了專利。

 

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

 

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

 

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

 

Meenakshisundaram說：“相互滲透的聚合物網(wǎng)絡(luò)就像在網(wǎng)中捉魚一樣。腳手架賦予了它一個形狀。一旦將它放進(jìn)烤箱，水就會蒸發(fā)，緊密纏繞的聚合物鏈會松弛、擴(kuò)散或流動，并滲透到網(wǎng)中。”

 

分子制造方法

 

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

 

Long和Williams都贊揚(yáng)對方的專業(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，才能實(shí)現(xiàn)這些類型的創(chuàng)新，” Long說。

 

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法打印。

 

Williams說：“當(dāng)我是一名研究該技術(shù)的研究者時，我們很高興能從可以制造的形狀中獲得獨(dú)特的性能，但基本的假設(shè)是我們必須使用非常差的材料來做。與Tim小組一起進(jìn)行的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)讓我們非常興奮，因?yàn)槲覀兡軌蛲黄莆覀冋J(rèn)為是打印材料性能極限的挑戰(zhàn)。”