Virginia Tech-forskare har upptäckt en ny process för 3D-utskrift av latexgummi, låsa upp möjligheten att skriva ut en mängd elastiska material med komplexa geometriska former.

Latex, allmänt känd som materialet i handskar eller färg, avser en grupp polymerer - långa, upprepande kedjor av molekyler - lindade inuti nanopartiklar spridda i vatten. 3D-tryckt latex och andra liknande gummiaktiga material som kallas elastomerer kan användas för en mängd olika tillämpningar, inklusive mjuk robotik, medicinska apparater, eller stötdämpare.

3D-tryckt latex har dokumenterats endast en handfull gånger i vetenskaplig litteratur. Inget av de tidigare exemplen kommer nära de mekaniska egenskaperna hos latexen som skrivs ut av ett tvärvetenskapligt team som är anslutet till Macromolecules Innovation Institute (MII), vetenskapliga högskolan, och tekniska högskolan.

Genom nya innovationer inom både kemi- och maskintekniska discipliner, laget övervann några långvariga begränsningar av 3D-utskrift, även känd som additiv tillverkning. Forskarna kemiskt modifierade flytande latexer för att göra dem utskrivbara och byggde en anpassad 3D-skrivare med ett inbyggt datorsyn för att skriva ut exakt, högupplösta funktioner i detta högpresterande material.

"Detta projekt representerar det kvintessenta exemplet på tvärvetenskaplig forskning, "sa Timothy Long, en professor i kemi och en rektor som utreder detta projekt tillsammans med Christopher Williams, L.S. Randolph professor i maskinteknik och tillfällig chef för MII. "Ingen av våra laboratorier skulle klara detta utan det andra."

Detta projekt är ett gemensamt samarbete mellan Virginia Tech och Michelin North America via ett National Science Foundation -pris i linje med programmet Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry, som stöder lagforskning mellan akademi och industri. Detaljer om deras första resultat beskrivs i en tidskriftsartikel som publicerades i ACS -tillämpade material och gränssnitt .

Ny materialutveckling inom vetenskap

Efter misslyckade försök att syntetisera ett material som skulle ge den ideala molekylvikten och mekaniska egenskaper, Phil Scott, en femteårs makromolekylär vetenskaps- och ingenjörsstudent i Long Research Group, vände sig till kommersiella flytande latexer.

Forskarna ville slutligen ha detta material i en fast 3D-tryckt form, men Scott behövde först förstärka den kemiska sammansättningen för att den skulle kunna skrivas ut.

Scott stötte på en grundläggande utmaning:flytande latex är extremt ömtåligt och svårt för kemister att ändra.

"Latexer är i Zen -tillstånd, "sa Viswanath Meenakshisundaram, ett femte års maskinteknik Ph.D. student i designen, Forskning, och Education for Additive Manufacturing Systems Lab som samarbetade med Scott. "Om du lägger till något i det, det kommer helt att förlora sin stabilitet och krascha. "

Sedan, kemisterna kom med en ny idé:Tänk om Scott byggde en ställning, liknande dem som används vid byggnation, runt latexpartiklarna för att hålla dem på plats? Den här vägen, latexen kunde behålla sin stora struktur, och Scott kunde lägga till fotoinitiatorer och andra föreningar till latexen för att möjliggöra 3D-utskrift med ultraviolett (UV) ljus.

"När du konstruerar ställningen, det största du behöver oroa dig för är stabiliteten i allt, "Sa Scott." Det krävdes mycket läsning, även saker som är så grundläggande som att lära sig varför kolloider är stabila och hur kolloidal stabilitet fungerar, men det var en riktigt rolig utmaning. "

Ny bearbetningsutveckling inom teknik

Medan Scott pysslade med flytande latex, Meenakshisundaram var tvungen att ta reda på hur man ska skriva ut hartset korrekt. Forskarna valde att använda en process som kallas vat -fotopolymerisation, där skrivaren använder UV -ljus för att bota, eller härda, ett visköst harts till en specifik form.

Behöver en skrivare som kan skriva ut högupplösta funktioner över ett stort område, Meenakshisundaram byggde en ny skrivare. Han och Williams, hans rådgivare, kom på idén att skanna UV -ljuset över ett stort område, och 2017, de lämnade patent på skrivaren.

Även med den anpassade skrivaren, de flytande latexpartiklarna orsakade spridning utanför det projicerade UV -ljuset på latexhartsytan, vilket resulterade i utskrift av felaktiga delar, så Meenakshisundaram utarbetade en andra ny idé. Han lade in en kamera på skrivaren för att ta en bild av varje kärl latexharts. Med sin anpassade algoritm, maskinen kan "se" UV -ljusets interaktion på hartsytan och sedan automatiskt justera utskriftsparametrarna för att korrigera för att hartsspridningen bota just den avsedda formen.

"Den stora scanningsskrivaren var ett koncept jag hade, och Viswanath gjorde det till verklighet på kort tid, "Sa Williams." Då kom Viswanath på idén att bädda in en kamera, observera hur ljuset interagerar med materialet, och uppdatera utskriftsparametrarna baserat på hans kod. Det är vad vi vill ha från vår doktorsexamen. studenter:Vi ger en vision, och de åstadkommer det och växer bortom som oberoende forskare. "

Meenakshisundaram och Scott upptäckte att deras sista 3D-tryckta latexdelar uppvisade starka mekaniska egenskaper i en matris som kallas ett halvgenomträngande polymernätverk, som inte hade dokumenterats för elastomera latexer i tidigare litteratur.

"Ett genomträngande polymernätverk är som att fånga fisk i ett nät, "Meenakshisundaram sa." Ställningen ger den en form. När du väl sätter in det i ugnen, vattnet kommer att avdunsta, och de tätt lindade polymerkedjorna kan slappna av, sprida eller flöda, och tränga in i nätet. "

En metod för tillverkning av molekyler

De nya framstegen inom både materialutveckling och bearbetning belyser den tvärvetenskapliga miljö som främjas mellan de två grupperna.

Long och Williams krediterade båda sin motparts expertis för att möjliggöra det kollektiva genombrottet.

"Min filosofi är att den här typen av innovationer bara kan uppnås när du samarbetar med människor som skiljer sig mycket från dig, "Sa Long.

De två professorerna sa att 3D-tryckt latex ger den konceptuella ramen för att skriva ut en rad oöverträffade material från styv plast till mjukt gummi, som har varit outskrivbara tills nu.

"När jag var doktorand som arbetade med denna teknik, vi var glada över att få unik prestanda från de former vi kunde skapa, men det underliggande antagandet var att vi fick nöja oss med mycket dåliga material, "Sade Williams." Det som har varit så spännande med denna upptäckt med Tims grupp är att kunna skjuta gränsen för vad vi antog var gränsen för ett tryckt materials prestanda. "