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弗吉尼亞技術(shù)團(tuán)隊(duì)成功3D打印橡膠膠乳

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來(lái)自高分子創(chuàng)新研究所（MII），科學(xué)學(xué)院和工程學(xué)院的弗吉尼亞理工學(xué)院跨學(xué)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）獎(jiǎng)。弗吉尼亞理工大學(xué)還與米其林北美公司合作進(jìn)行了該項(xiàng)目。

來(lái)自Timothy Long和Christopher Williams研究小組的化學(xué)家和機(jī)械工程師在該項(xiàng)目上進(jìn)行了合作。

化學(xué)教授兼首席研究員蒂莫西·朗（Timothy Long）說(shuō)：“我的理念是，只有與與自己截然不同的人合作時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)這些類(lèi)型的創(chuàng)新。該項(xiàng)目代表了跨學(xué)科研究的典型例子。如果沒(méi)有其他實(shí)驗(yàn)室，我們兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室都無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

橡膠狀彈性材料膠乳通常存在于油漆和手套中，實(shí)際上是一組聚合物，它們像蛇一樣盤(pán)繞在分散在水中的納米粒子中。成功地進(jìn)行3D打印后，由于該技術(shù)允許將材料制成復(fù)雜的幾何形狀，因此可用于許多應(yīng)用，例如醫(yī)療設(shè)備，減震器和軟機(jī)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(xué)的研究人員去年發(fā)表了一篇論文，內(nèi)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(xué)的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了另一個(gè)方向，并使用了桶式光聚合技術(shù)。

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(fù)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(jī)械性能之間產(chǎn)生了具有挑戰(zhàn)性的悖論。該報(bào)告描述了同時(shí)進(jìn)行的光敏聚合物和VP系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以解決這一悖論，因?yàn)榍八从械厥褂昧司酆夏z體（latex），可有效地將粘度對(duì)分子量的依賴(lài)性解耦。

高分子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的五年級(jí)學(xué)生Phil Scott一直在嘗試合成具有適當(dāng)機(jī)械性能和分子量的乳膠材料，但運(yùn)氣并不好。然后，他開(kāi)始使用市售液態(tài)乳膠，但是他必須弄清楚如何修改化學(xué)成分，以便可以以固態(tài)形式進(jìn)行3D打印。不幸的是，由于液體乳膠非常脆弱，這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難?！叭槟z處于彈性狀態(tài)。如果添加了任何東西，它將完全失去穩(wěn)定性并崩潰。”機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)五年級(jí)博士學(xué)位Viswanath Meenakshisundaram解釋說(shuō)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Scott搭建了一個(gè)支架，可以將乳膠顆粒固定在適當(dāng)?shù)奈恢?。然后，加入光引發(fā)劑和其他化合物，以便可以進(jìn)行紫外線輔助印刷。

在SBR膠乳的連續(xù)相中進(jìn)行PEGDA和NVP的光固化，得到嵌入SBR顆粒的水凝膠。

“在設(shè)計(jì)腳手架時(shí)，您最需要擔(dān)心的是一切的穩(wěn)定性。讀了很多書(shū)，甚至是學(xué)習(xí)膠體為什么穩(wěn)定以及膠體穩(wěn)定性如何工作的基礎(chǔ)知識(shí)，但這是一個(gè)非常有趣的挑戰(zhàn)?！蓖ㄟ^(guò)用紫外線將材料固化來(lái)將粘性樹(shù)脂轉(zhuǎn)變?yōu)樾螤?，Meenakshisundaram的任務(wù)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(qǐng)專(zhuān)利的系統(tǒng)。他知道機(jī)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(wèn)，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(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)嵌入到定制打印機(jī)上的想法，以確保準(zhǔn)確，詳細(xì)的打印，因?yàn)橐后w乳膠顆粒會(huì)導(dǎo)致乳膠樹(shù)脂表面上的紫外線散射到外部。相機(jī)會(huì)捕獲每個(gè)單獨(dú)的乳膠樹(shù)脂桶的圖像，并且自定義算法允許打印機(jī)從本質(zhì)上查看UV光在樹(shù)脂上的相互作用，然后相應(yīng)地調(diào)整打印參數(shù)以?xún)H固化要打印的形狀。

通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)捕獲的單像素強(qiáng)度分布用于計(jì)算投射到樹(shù)脂表面的任何圖案的總體強(qiáng)度分布。由正方形晶格（A）和Schwarz晶格（B）的投影產(chǎn)生的強(qiáng)度分布的模擬說(shuō)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(qū)域]導(dǎo)致制造了邊緣清晰度不佳的超大特征。

“大面積掃描打印機(jī)是我所擁有的概念，Viswanath很快就使它成為了現(xiàn)實(shí)。然后，維斯瓦納特提出了一個(gè)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)。”倫道夫（Randolph）機(jī)械工程學(xué)教授兼信息產(chǎn)業(yè)部臨時(shí)總監(jiān)?！斑@就是我們想要獲得博士學(xué)位的目的。學(xué)生：我們提供了一個(gè)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?！彼羞@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(wǎng)絡(luò)基質(zhì)中具有強(qiáng)大的機(jī)械性能。