3D打印乳胶橡胶的突破

弗吉尼亚理工大学的研究人员发现了一种3D打印乳胶橡胶的新工艺，从而释放了打印各种具有复杂几何形状的弹性材料的能力。

乳胶，通常被称为手套或油漆中的材料，指的是一组聚合物-长的、重复的分子链-盘绕在分散在水中的纳米颗粒中。3D打印乳胶和其他被称为弹性体的类似橡胶材料可以用于各种应用，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只被记录了几次。之前的例子中没有一个接近于由隶属于高分子创新研究所(MII)、科学学院和工程学院的跨学科团队印刷的乳胶的机械性能。

通过在化学和机械工程学科方面的创新，该团队克服了3D打印(也称为加法制造)的一些长期限制。研究人员对液体乳胶进行了化学修饰，使其可打印，并建造了一台带有嵌入式计算机视觉系统的定制3D打印机，以打印这种高性能材料的准确、高分辨率特征。

这个项目代表了跨学科研究的典型例子，蒂莫西·朗(Timothy Long)说，他是一名化学教授，也是该项目的联合首席研究员，他与L.S.兰道夫机械工程教授、信息产业部临时主任克里斯托弗·威廉姆斯(Christopher Williams)共同担任该项目的首席研究员。如果没有另一个实验室，我们两个实验室都不可能做到这一点。

该项目是弗吉尼亚理工大学和米其林北美公司通过国家科学基金会奖与支持学术界和产业界联合研究的学术联络赠款机会计划的联合合作项目。他们初步结果的详细信息发表在“ACS应用材料与接口”杂志上的一篇期刊文章中。

在试图合成一种能够提供理想分子量和机械性能的材料的尝试失败后，Long Research Group的五年级高分子科学和工程专业学生菲尔·斯科特(Phil Scott)转向了商用液体乳胶。

研究人员最终想要这种材料以固体3D打印的形式，但斯科特首先需要增加化学成分才能打印。

斯科特遇到了一个根本性的挑战：液体乳胶极其脆弱，化学家很难改变。

与斯科特合作的添加剂制造系统设计、研究和教育实验室五年级机械工程博士生维斯瓦纳特·米纳克什桑达拉姆(Viswanath Meenakshisundaram)说，乳胶处于禅宗状态。如果你再给它加点东西，它就会完全失去稳定性而坠毁。

然后，化学家们想出了一个新的想法：如果斯科特在乳胶颗粒周围建造一个类似于建筑中使用的脚手架，将它们固定在适当的位置，会怎么样？这样，胶乳可以保持其良好的结构，斯科特可以向胶乳中添加光引发剂和其他化合物，以实现紫外线(UV)光3D打印。

斯科特说，在设计脚手架时，你最需要担心的是一切的稳定性。它需要大量的阅读，甚至像了解为什么胶体是稳定的以及胶体稳定性是如何工作的这样基本的东西，但这真的是一个有趣的挑战。

当斯科特在修补液体乳胶时，米纳克希桑德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名为还原光聚合的过程，在这种过程中，打印机使用紫外光将粘性树脂固化或硬化成特定的形状。

Meenakshisundaram需要一台能够在大范围内打印高分辨率特征的打印机，他建造了一台新的打印机。他和他的顾问威廉姆斯提出了在大范围内扫描紫外光的想法，并在2017年为该打印机申请了专利。

即使是定制的打印机，液体乳胶颗粒也会在乳胶树脂表面的投射紫外光之外造成散射，从而导致打印不准确的部件，因此Meenakshisundaram设计了第二个新想法。他在打印机上嵌入了一台相机，以捕捉每一大桶乳胶树脂的图像。使用他的定制算法，机器能够看到紫外光在树脂表面的相互作用，然后自动调整印刷参数，以校正树脂散射，从而仅固化所需的形状。

威廉姆斯说，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。然后，维斯瓦纳特想出了一个想法，即嵌入一个相机，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。这就是我们希望我们的博士生拥有的：我们提供了一个愿景，他们实现了这一目标，并作为一名独立的研究人员成长为更远的人。

Meenakshisundaram和Scott发现，他们最终的3D打印乳胶部件在一种称为半互穿聚合物网络的基质中显示出强大的机械性能，这在以前的文献中还没有关于弹性乳胶的记录。

Meenakshisundaram说，相互渗透的聚合物网络就像在网中捕鱼。脚手架使它具有一定的形状。一旦你把它放进烤箱，水就会蒸发，紧密缠绕的聚合物链可以松弛、扩散或流动，并相互渗透到网中。

材料开发和加工方面的新进展突出了两个小组之间培育的跨学科环境。

我的哲学是，只有当你与与你截然不同的人合作时，这些类型的创新才能实现，朗说。

这两位教授说，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，从硬质塑料到软橡胶，到目前为止，这些材料一直无法打印。

威廉姆斯说：当我还是一名研究这项技术的研究生时，我们很高兴能从我们创造的形状中获得独特的性能，但潜在的假设是，我们不得不凑合使用非常差的材料。蒂姆团队的这一发现让人如此兴奋的是，他们能够突破我们所认为的印刷品性能的极限。