Forskere rapporterer 3-D-printet latexgummi gennembrud

Virginia Tech-forskere har opdaget en ny proces til 3D-print af latexgummi, låser op for muligheden for at printe en række elastiske materialer med komplekse geometriske former.

latex, almindeligvis kendt som materialet i handsker eller maling, refererer til en gruppe polymerer - lange, gentagne kæder af molekyler - snoet inde i nanopartikler spredt i vand. 3-D printet latex og andre lignende gummiagtige materialer kaldet elastomerer kan bruges til en række forskellige applikationer, herunder blød robotik, hospitalsudstyr, eller støddæmpere.

3-D printet latex er kun blevet dokumenteret en håndfuld gange i videnskabelig litteratur. Ingen af ​​de tidligere eksempler kommer i nærheden af ​​de mekaniske egenskaber af latexen trykt af et tværfagligt team tilknyttet Macromolecules Innovation Institute (MII), videnskabskollegiet, og Ingeniørhøjskolen.

Gennem nye innovationer inden for både kemi og maskintekniske discipliner, teamet overvandt nogle mangeårige begrænsninger for 3D-udskrivning, også kendt som additiv fremstilling. Forskerne kemisk modificerede flydende latexer for at gøre dem printbare og byggede en brugerdefineret 3D-printer med et integreret computersyn til at udskrive præcise, højopløselige funktioner i dette højtydende materiale.

"Dette projekt repræsenterer det essentielle eksempel på tværfaglig forskning, "sagde Timothy Long, en professor i kemi og en medforsker på dette projekt sammen med Christopher Williams, L.S. Randolph professor i maskinteknik og midlertidig direktør for MII. "Ingen af ​​vores laboratorier ville være i stand til at opnå dette uden den anden."

Dette projekt er et fælles samarbejde mellem Virginia Tech og Michelin North America via en National Science Foundation-pris på linje med Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry-programmet, som understøtter forskningssamarbejde mellem den akademiske verden og industrien. Detaljer om deres første resultater er detaljeret i en tidsskriftsartikel offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader .

Udvikling af nye materialer i videnskab

Efter mislykkede forsøg på at syntetisere et materiale, der ville give den ideelle molekylvægt og mekaniske egenskaber, Phil Scott, en femte års makromolekylær videnskab og ingeniørstuderende i Long Research Group, vendte sig til kommerciel flydende latex.

Forskerne ønskede i sidste ende dette materiale i en solid 3-D-printet form, men Scott havde først brug for at forstærke den kemiske sammensætning, så den kunne udskrives.

Scott løb ind i en grundlæggende udfordring:flydende latex er ekstremt skrøbeligt og svært for kemikere at ændre.

"Latexes er i en tilstand af Zen, " sagde Viswanath Meenakshisundaram, en femte års maskiningeniør Ph.d. studerende i design, Forskning, og Education for Additive Manufacturing Systems Lab, som samarbejdede med Scott. "Hvis du tilføjer noget til det, den mister fuldstændig sin stabilitet og styrter ud."

Derefter, kemikerne kom med en ny idé:Hvad hvis Scott byggede et stillads, svarende til dem, der bruges i bygningskonstruktion, omkring latexpartiklerne for at holde dem på plads? Denne måde, latexen kunne bevare sin flotte struktur, og Scott kunne tilføje fotoinitiatorer og andre forbindelser til latexen for at muliggøre 3-D-print med ultraviolet (UV) lys.

"Når man designer stilladset, den største ting du skal bekymre dig om er stabiliteten af ​​alting, " sagde Scott. "Det krævede meget læsning, selv ting så grundlæggende som at lære, hvorfor kolloider er stabile, og hvordan kolloid stabilitet fungerer, men det var en rigtig sjov udfordring."

Ny procesudvikling inden for teknik

Mens Scott puslede med den flydende latex, Meenakshisundaram skulle finde ud af, hvordan man korrekt udskriver harpiksen. Forskerne valgte at bruge en proces kaldet karfotopolymerisering, hvor printeren bruger UV -lys til at hærde, eller hærde, en tyktflydende harpiks i en bestemt form.

Har du brug for en printer, der er i stand til at udskrive funktioner i høj opløsning over et stort område, Meenakshisundaram byggede en ny printer. Han og Williams, hans rådgiver, kom på ideen til at scanne UV-lyset over et stort område, og i 2017, de indgav patent på trykkeriet.

Selv med den brugerdefinerede printer, de flydende latexpartikler forårsagede spredning uden for det projicerede UV-lys på latexharpiksoverfladen, hvilket resulterede i udskrivning af unøjagtige dele, så Meenakshisundaram udtænkte en anden ny idé. Han indlejrede et kamera på printeren for at tage et billede af hver beholder latexharpiks. Med hans brugerdefinerede algoritme, maskinen er i stand til at "se" UV -lysets interaktion på harpiksoverfladen og derefter automatisk justere udskrivningsparametrene for at korrigere for harpiks -spredning for at helbrede netop den påtænkte form.

"Den store scanningsprinter var et koncept, jeg havde, og Viswanath gjorde det til virkelighed på kort tid, " sagde Williams. "Så kom Viswanath på ideen om at indlejre et kamera, observere, hvordan lyset interagerer med materialet, og opdatering af udskrivningsparametrene baseret på hans kode. Det er det, vi ønsker fra vores ph.d. studerende:Vi giver en vision, og de opnår det og vokser videre som en uafhængig forsker."

Meenakshisundaram og Scott opdagede, at deres endelige 3-D printede latexdele udviste stærke mekaniske egenskaber i en matrix kendt som et semi-interpenetrerende polymernetværk, som ikke var blevet dokumenteret for elastomere latexer i den tidligere litteratur.

"Et interpenetrerende polymernetværk er som at fange fisk i et net, " sagde Meenakshisundaram. "Stilladset giver det en form. Når du har sat det i ovnen, vandet vil fordampe, og de tæt viklede polymerkæder kan slappe af, spredes eller flyde, og trænger ind i nettet."

En tilgang til molekyler til fremstilling

De nye fremskridt inden for både materialeudvikling og forarbejdning fremhæver det tværfaglige miljø, der skabes mellem de to grupper.

Long og Williams krediterede begge deres modparts ekspertise for at gøre det kollektive gennembrud muligt.

"Min filosofi er, at denne type innovationer kun kan opnås, når du samarbejder med mennesker, der er meget forskellige fra dig, "Sagde længe.

De to professorer sagde, at 3-D-printet latex udgør den konceptuelle ramme for udskrivning af en række hidtil usete materialer fra stiv plast til bløde gummier, som har været uudskrivelige indtil nu.

"Da jeg var kandidatstuderende og arbejdede med denne teknologi, vi var begejstrede for at få unik ydelse fra de former, vi kunne skabe, men den underliggende antagelse var, at vi måtte nøjes med meget dårlige materialer, " sagde Williams. "Det, der har været så spændende ved denne opdagelse med Tims gruppe, er at kunne skubbe grænsen for, hvad vi antog var grænsen for et trykt materiales ydeevne."