弗吉尼亞技術團隊成功3D打印橡膠膠乳

魔猴君  行業資訊   1578天前

來自高分子創新研究所（MII），科學學院和工程學院的弗吉尼亞理工學院跨學科研究小組共同努力，提出了一種3D打印膠乳橡膠的新穎方法，獲得美國國家科學基金會（National Science Foundation）獎。弗吉尼亞理工大學還與米其林北美公司合作進行了該項目。

來自Timothy Long和Christopher Williams研究小組的化學家和機械工程師在該項目上進行了合作。

化學教授兼首席研究員蒂莫西·朗（Timothy Long）說：“我的理念是，只有與與自己截然不同的人合作時，才能實現這些類型的創新。該項目代表了跨學科研究的典型例子。如果沒有其他實驗室，我們兩個實驗室都無法實現這一目標。”

橡膠狀彈性材料膠乳通常存在于油漆和手套中，實際上是一組聚合物，它們像蛇一樣盤繞在分散在水中的納米粒子中。成功地進行3D打印后，由于該技術允許將材料制成復雜的幾何形狀，因此可用于許多應用，例如醫療設備，減震器和軟機器人。需要注意的是，這并不是我們第一次看到3D打印的乳膠。倫敦瑪麗皇后大學的研究人員去年發表了一篇論文，內容涉及他們使用按需滴印方法打印這種棘手的材料。但是，弗吉尼亞理工大學的團隊轉向了另一個方向，并使用了桶式光聚合技術。

圖形概要

“增值光聚合（VP）增材制造制造出具有出色分辨率的復雜幾何形狀；然而，由于伴隨的高溶液和熔體粘度，高分子量聚合物不適合VP。因此，在可印刷性和機械性能之間產生了具有挑戰性的悖論。該報告描述了同時進行的光敏聚合物和VP系統設計，以解決這一悖論，因為前所未有地使用了聚合膠體（latex），可有效地將粘度對分子量的依賴性解耦。

高分子科學與工程專業的五年級學生Phil Scott一直在嘗試合成具有適當機械性能和分子量的乳膠材料，但運氣并不好。然后，他開始使用市售液態乳膠，但是他必須弄清楚如何修改化學成分，以便可以以固態形式進行3D打印。不幸的是，由于液體乳膠非常脆弱，這說起來容易做起來難。“乳膠處于彈性狀態。如果添加了任何東西，它將完全失去穩定性并崩潰。”機械工程專業五年級博士學位Viswanath Meenakshisundaram解釋說。為了解決這個問題，Scott搭建了一個支架，可以將乳膠顆粒固定在適當的位置。然后，加入光引發劑和其他化合物，以便可以進行紫外線輔助印刷。

在SBR膠乳的連續相中進行PEGDA和NVP的光固化，得到嵌入SBR顆粒的水凝膠。

“在設計腳手架時，您最需要擔心的是一切的穩定性。讀了很多書，甚至是學習膠體為什么穩定以及膠體穩定性如何工作的基礎知識，但這是一個非常有趣的挑戰。”通過用紫外線將材料固化來將粘性樹脂轉變為形狀，Meenakshisundaram的任務是弄清楚如何精確地打印材料……因此，他建立了自己的正在申請專利的系統。他知道機器需要能夠在大面積上打印高分辨率特征，并且與他的顧問，共同首席研究員克里斯托弗·威廉姆斯（Christopher Williams）一起，想出了一種在大面積上掃描紫外線的方法。

Meenakshisundaram還具有將計算機視覺系統嵌入到定制打印機上的想法，以確保準確，詳細的打印，因為液體乳膠顆粒會導致乳膠樹脂表面上的紫外線散射到外部。相機會捕獲每個單獨的乳膠樹脂桶的圖像，并且自定義算法允許打印機從本質上查看UV光在樹脂上的相互作用，然后相應地調整打印參數以僅固化要打印的形狀。

通過計算機視覺捕獲的單像素強度分布用于計算投射到樹脂表面的任何圖案的總體強度分布。由正方形晶格（A）和Schwarz晶格（B）的投影產生的強度分布的模擬說明了所需輪廓和投影輪廓之間的不一致。邊緣處的散射[（A）和（B）中的紅色和綠色區域]導致制造了邊緣清晰度不佳的超大特征。

“大面積掃描打印機是我所擁有的概念，Viswanath很快就使它成為了現實。然后，維斯瓦納特提出了一個嵌入相機的想法，觀察光與材料的相互作用，并根據他的代碼更新打印參數。”倫道夫（Randolph）機械工程學教授兼信息產業部臨時總監。“這就是我們想要獲得博士學位的目的。學生：我們提供了一個愿景，他們實現了這一愿景，并超越了獨立研究者的范圍。”所有這些艱苦的工作使得3D打印的乳膠零件（例如葉輪）在半互穿的聚合物網絡基質中具有強大的機械性能。

乳膠橡膠零件（例如以100微米分辨率打印的葉輪3D）可以無損地重復使用復雜的模具

因為這些零件具有柔韌性和韌性的獨特組合。

該團隊的兩位教授表示，3D打印乳膠為打印他們認為過去無法打印的許多其他材料（例如軟橡膠）奠定了基礎。

來源：中國3D打印網