弗吉尼亞理工大學研究員開發出3D打印乳膠的新穎工藝 
乳膠，通常被用來制作成手套或涂料的材料，是指纏繞在分散在水中的納米粒子內部的一組聚合物，一種長而重復的分子鏈。一種用于3D打印膠乳和其他類似橡膠材料的新方法稱為彈性體，可用于各種應用，包括軟機器人、醫療設備或減震器。
 
 

3D打印的乳膠在科學文獻中只出現過幾次。之前的例子中沒有一個接近于由高分子創新研究所（MII）、科學學院和工程學院的跨學科團隊打印的乳膠的機械性能。

 

通過在化學和機械工程學科上的創新，該團隊克服了3D打印（也被稱為增材制造）的一些長期局限性。研究人員對液態乳膠進行了化學改性，使其可打印，并制造了一個嵌入計算機視覺系統的定制3D打印機，以打印這種準確、高分辨率為特點的高性能材料。

 

“這個項目代表了典型的跨學科研究，”化學教授Timothy Long說。他和機械工程L.S. Randolph教授、MII臨時主任Christopher Williams一起參與此項目研究。“如果沒有另一個實驗室，我們兩個實驗室都無法做到這一點。”

 

該項目是弗吉尼亞理工大學和米其林北美公司的聯合合作項目，得到了國家科學基金獎與工業學術聯絡計劃的資金支持。他們的初步研究結果的詳細資料發表在ACS Applied Materials＆Interfaces雜志上。

 

新型材料的開發

 

經過未能成功地合成出能夠提供理想分子量和機械性能的材料的嘗試，研究小組中的五年級高分子科學與工程專業的學生Phil Scott轉向了商業液態乳膠的研究。

 

研究人員最終希望以固體3D打印形式使用這種材料，但Scott認為首先需要增加化學成分以使其能夠打印。他遇到了一個根本性的挑戰：液態乳膠非常脆弱，化學成分很難改變。

 

與Scott合作的增材制造系統實驗室的設計、研究和教育專業、機械工程博士學位五年級學生Viswanath Meenakshisundaram說：“膠乳處于液體狀態。如果您添加任何東西，它將完全失去穩定性并崩潰。”

 

針對此挑戰，化學家們提出了一個新的主意：如果Scott在乳膠顆粒周圍建造一個類似于建筑結構的支架，將支架固定在原處，如何呢？這樣，乳膠可以保持其良好的結構，Scott可以在乳膠中添加光引發劑和其他化合物，從而能夠使用紫外線（UV）進行3D打印。”

 

Scott說：“在設計腳手架時，我們最大的擔心是一切的穩定性。基于此，我們需要大量閱讀相關書籍，甚至是學習膠體為什么穩定以及在膠體穩定性情況下如何工作的基礎知識，但這是一個非常有趣的挑戰。”

 

工程領域的新型加工開發

 

當Scott“修補”液態乳膠時，Meenakshisundaram必須弄清楚如何正確打印樹脂。研究人員選擇使用一種稱為桶式光聚合的工藝，該打印機使用紫外線將粘性樹脂固化或硬化為特定形狀。

 

Meenakshisundaram需要一臺能夠在大面積上打印高分辨率特征的打印機，因此建造了一臺新打印機。他和他的顧問Williams提出了在大面積上掃描紫外線的想法，并于2017年為該打印機申請了專利。

 

即使使用定制打印機，液體乳膠顆粒也會在乳膠樹脂表面上投射的紫外光之外散射，從而導致打印不正確的零件，因此Meenakshisundaram提出了第二個新穎的想法。他將一臺照相機嵌入打印機，以捕獲每桶乳膠樹脂的圖像。借助他的自定義算法，該機器能夠“看到”紫外線在樹脂表面上的相互作用，然后自動調整打印參數以校正樹脂散射，從而僅固化所需的形狀。

 

Williams說：“大面積掃描打印機是我所擁有的一個新概念， Viswanath很快就將它變成了現實。然后， Viswanath提出了嵌入相機的想法，觀察光與材料的相互作用，并根據他的代碼更新打印參數。這就是我們所想要的合作伙伴：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。”

 

Meenakshisundaram和Scott發現了他們最終的3D打印乳膠零件在被稱為半互穿聚合物網絡的基體中表現出強大的機械性能，而在現有文獻中尚未有此記錄。

 

Meenakshisundaram說：“相互滲透的聚合物網絡就像在網中捉魚一樣。腳手架賦予了它一個形狀。一旦將它放進烤箱，水就會蒸發，緊密纏繞的聚合物鏈會松弛、擴散或流動，并滲透到網中。”

 

分子制造方法

 

在材料開發和加工方面的新進展突顯了這兩個群體之間培育的跨學科環境。

 

Long和Williams都贊揚對方的專業知識，使集體研究突破成為可能。

 

“我的理念是，只有與與您截然不同的人合作時，才能實現這些類型的創新，” Long說。

 

兩位教授表示，3D打印乳膠為從硬質塑料到軟橡膠的一系列前所未有的材料的打印提供了概念框架，這些材料迄今為止一直無法打印。

 

Williams說：“當我是一名研究該技術的研究者時，我們很高興能從可以制造的形狀中獲得獨特的性能，但基本的假設是我們必須使用非常差的材料來做。與Tim小組一起進行的這項發現讓我們非常興奮，因為我們能夠突破我們認為是打印材料性能極限的挑戰。”