弗吉尼亚理工大学的研究人员发现了一种3D打印胶乳橡胶的新方法，从而开启了打印各种具有复杂几何形状的弹性材料的能力。
乳胶，通常被称为手套或涂料中的材料，指的是一组聚合物——长而重复的分子链——盘绕在分散在水中的纳米粒子内部。3D打印乳胶和其他类似的橡胶材料称为弹性体，可用于各种应用，包括软机器人、医疗设备或减震器。
3D打印乳胶在科学文献中记录的次数很少。之前的例子都无法与大分子创新研究所(MII)、理学院和工程学院下属的跨学科团队打印的乳胶的力学性能相媲美。
通过化学和机械工程学科的创新，该团队克服了增材制造的一些长期存在的局限性。研究人员对液体乳胶进行了化学改性，使其可以打印，并建造了一个定制的3D打印机，带有嵌入式计算机视觉系统，可以打印这种高性能材料的精确、高分辨率特性。
“这个项目代表了跨学科研究的典型例子，”化学教授蒂莫西·朗(Timothy Long)说。他和L.S.伦道夫机械工程教授、信息产业界临时主管克里斯托弗·威廉姆斯(Christopher Williams)是这个项目的共同首席研究员。
“没有对方，我们两个实验室都无法完成这项工作。”
该项目是弗吉尼亚理工大学和米其林北美公司的联合合作，通过国家科学基金会奖与学术与工业联系的资助机会计划，支持学术界和工业界之间的合作研究。《ACS应用材料与界面》杂志发表了一篇文章，详细介绍了他们的初步结果。
科学新材料的发展
在尝试合成一种能够提供理想分子量和机械性能的材料失败后，朗研究小组大分子科学与工程专业的五年级学生菲尔·斯科特(Phil Scott)转向了商用液体乳胶。
研究人员最终希望这种材料以立体3D打印形式出现，但斯科特首先需要增加化学成分，以便打印。
斯科特遇到了一个根本性的挑战:液态乳胶非常脆弱，化学家很难改变它。
Viswanath Meenakshisundaram是增层制造系统实验室的设计、研究和教育专业机械工程博士，他与Scott合作，他说:“乳胶是一种禅宗。“如果你往它上面加任何东西，它就会完全失去稳定性，然后坠毁。”
然后，化学家们有了一个新的想法:如果斯科特在乳胶颗粒周围建造一个支架，类似于建筑施工中使用的支架，将它们固定在合适的位置，会怎么样?通过这种方式，胶乳可以保持其良好的结构，斯科特可以在胶乳中添加光引发剂和其他化合物，以实现紫外线(UV)光的3D打印。
“在设计支架时，你需要担心的最大的事情是一切的稳定性，”斯科特说。“这需要大量阅读，甚至是了解胶体为什么稳定以及胶体稳定性如何起作用这样的基本知识，但这确实是一个有趣的挑战。”
工程加工的新发展
当斯科特在修补液体乳胶时，米纳克什桑达拉姆必须弄清楚如何正确打印树脂。研究人员选择使用一种称为“缸光聚合”的工艺，在这种工艺中，打印机使用紫外线固化或硬化粘性树脂，使其变成特定的形状。
由于需要一台能够在大范围内打印高分辨率功能的打印机，Meenakshisundaram制造了一台新的打印机。他和他的顾问威廉姆斯想出了在大范围内扫描紫外线的主意，2017年，他们为打印机申请了专利。
即使是在定制的打印机上，流体乳胶粒子会在乳胶树脂表面投射的紫外线外散射，导致打印不准确的零件，所以米纳克希松达拉姆设计了第二个新颖的想法。他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。通过他的定制算法，机器能够“看到”紫外光在树脂表面的相互作用，然后自动调整打印参数，以修正树脂散射，以固化预期的形状。
“大面积扫描打印机是我的一个概念，维斯瓦纳特很快就把它变成了现实，”威廉姆斯说。然后维斯瓦纳特想出了一个主意，在里面嵌入一个摄像头，观察光线如何与材料相互作用，并根据他的代码更新打印参数。这就是我们想从博士生身上得到的:我们提供一个愿景，他们完成了这个愿景，并成长为独立的研究人员。”
Meenakshisundaram和Scott发现，他们最终的3D打印乳胶部件在一种被称为半互穿聚合物网络的基质中表现出了强大的力学性能，这在之前的文献中没有关于弹性体乳胶的记录。
Meenakshisundaram说:“相互渗透的聚合物网络就像在网中捕鱼。”“脚手架给了它一个形状。一旦你把它放进烤箱，水就会蒸发，紧紧缠绕的聚合物链就会放松、扩散或流动，并渗透到网中。”
一种从分子到制造的方法
材料开发和加工方面的新进展突出了两组之间培育的跨学科环境。
朗和威廉姆斯都称赞对方的专业知识，使集体突破成为可能。
朗说:“我的理念是，只有当你与与你非常不同的人合作时，这些创新才能实现。”
两位教授说，3d打印乳胶为打印一系列前所未有的材料提供了概念框架，从刚性塑料到软橡胶，这些材料到现在还不能打印。
Williams说:“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。”“蒂姆团队的这一发现令人兴奋之处在于，它突破了我们之前认为的印刷材料性能极限的界限。”
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弗吉尼亚理工大学
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