Onderzoekers van Virginia Tech hebben een nieuw proces ontdekt om latexrubber in 3D te printen, ontgrendelt de mogelijkheid om een ​​verscheidenheid aan elastische materialen met complexe geometrische vormen te printen.

Latex, algemeen bekend als het materiaal in handschoenen of verf, verwijst naar een groep polymeren - lange, zich herhalende ketens van moleculen - opgerold in nanodeeltjes gedispergeerd in water. 3D-geprinte latex en andere soortgelijke rubberachtige materialen, elastomeren genaamd, kunnen voor verschillende toepassingen worden gebruikt, inclusief zachte robotica, medische apparatuur, of schokdempers.

3D-geprinte latex is slechts een handvol keren gedocumenteerd in de wetenschappelijke literatuur. Geen van de voorgaande voorbeelden komt in de buurt van de mechanische eigenschappen van de latex die is gedrukt door een interdisciplinair team verbonden aan het Macromolecules Innovation Institute (MII), het College van Wetenschappen, en de Technische Hogeschool.

Door nieuwe innovaties in zowel de scheikunde als de werktuigbouwkundige disciplines, het team overwon enkele al lang bestaande beperkingen van 3D-printen, ook wel additieve fabricage genoemd. De onderzoekers wijzigden vloeibare latexen chemisch om ze bedrukbaar te maken en bouwden een aangepaste 3D-printer met een ingebouwd computervisiesysteem om nauwkeurig, hoge resolutie kenmerken van dit hoogwaardige materiaal.

"Dit project is het ultieme voorbeeld van interdisciplinair onderzoek, " zei Timothy Long, een professor in de chemie en een co-hoofdonderzoeker van dit project samen met Christopher Williams, de LS Randolph Hoogleraar werktuigbouwkunde en interim-directeur van MII. "Geen van onze laboratoria zou dit kunnen bereiken zonder de andere."

Dit project is een gezamenlijke samenwerking tussen Virginia Tech en Michelin North America via een National Science Foundation-prijs in lijn met het Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry-programma, die gezamenlijk onderzoek tussen de academische wereld en de industrie ondersteunt. Details van hun eerste resultaten worden gedetailleerd beschreven in een tijdschriftartikel gepubliceerd in ACS Toegepaste Materialen &Interfaces .

Ontwikkeling van nieuwe materialen in de wetenschap

Na mislukte pogingen om een ​​materiaal te synthetiseren dat het ideale molecuulgewicht en mechanische eigenschappen zou bieden, Phil Scott, een vijfdejaars student macromoleculaire wetenschap en techniek in de Long Research Group, wendde zich tot commerciële vloeibare latexen.

De onderzoekers wilden dit materiaal uiteindelijk in een solide 3D-geprinte vorm, maar Scott moest eerst de chemische samenstelling verbeteren om te kunnen printen.

Scott liep tegen een fundamentele uitdaging aan:vloeibare latex is extreem kwetsbaar en moeilijk te veranderen voor scheikundigen.

"Latexen zijn in een staat van Zen, " zei Viswanath Meenakshisundaram, een vijfdejaars werktuigbouwkunde Ph.D. student in de Vormgeving, Onderzoek, en Education for Additive Manufacturing Systems Lab die samenwerkte met Scott. "Als je er iets aan toevoegt, het zal zijn stabiliteit volledig verliezen en crashen."

Vervolgens, kwamen de chemici met een nieuw idee:wat als Scott een steiger zou bouwen, vergelijkbaar met die gebruikt in de bouw, rond de latexdeeltjes om ze op hun plaats te houden? Op deze manier, de latex kon zijn geweldige structuur behouden, en Scott zou foto-initiatoren en andere verbindingen aan de latex kunnen toevoegen om 3D-printen met ultraviolet (UV) licht mogelijk te maken.

"Bij het ontwerpen van de steiger, het grootste waar je je zorgen over hoeft te maken is de stabiliteit van alles, Scott zei. "Het kostte veel lezen, zelfs dingen die zo basaal zijn als leren waarom colloïden stabiel zijn en hoe colloïdale stabiliteit werkt, maar het was echt een leuke uitdaging."

Nieuwe verwerkingsontwikkeling in engineering

Terwijl Scott aan de vloeibare latex sleutelde, Meenakshisundaram moest uitzoeken hoe de hars correct kon worden afgedrukt. De onderzoekers kozen ervoor om een ​​proces te gebruiken dat vatfotopolymerisatie wordt genoemd, waarin de printer UV-licht gebruikt om uit te harden, of verharden, een stroperige hars in een specifieke vorm.

Een printer nodig hebben die functies met een hoge resolutie over een groot gebied kan afdrukken, Meenakshisundaram bouwde een nieuwe printer. Hij en Williams, zijn adviseur, kwam op het idee om het UV-licht over een groot gebied te scannen, en anno 2017, ze dienden een patent in voor de printer.

Zelfs met de aangepaste printer, de vloeibare latexdeeltjes veroorzaakten verstrooiing buiten het geprojecteerde UV-licht op het latexharsoppervlak, wat resulteerde in het afdrukken van onnauwkeurige onderdelen, dus bedacht Meenakshisundaram een ​​tweede nieuw idee. Hij plaatste een camera in de printer om een ​​beeld van elk vat latexhars vast te leggen. Met zijn aangepaste algoritme, de machine kan de interactie van het UV-licht op het harsoppervlak "zien" en vervolgens automatisch de afdrukparameters aanpassen om de harsverstrooiing te corrigeren om precies de beoogde vorm uit te harden.

"De scanprinter met groot oppervlak was een concept dat ik had, en Viswanath maakte het in korte tijd werkelijkheid, Williams zei. "Toen kwam Viswanath op het idee om een ​​camera in te bouwen, observeren hoe het licht interageert met het materiaal, en het bijwerken van de afdrukparameters op basis van zijn code. Dat is wat we willen van onze Ph.D. studenten:Wij zorgen voor een visie, en ze bereiken dat en groeien verder als een onafhankelijke onderzoeker."

Meenakshisundaram en Scott ontdekten dat hun laatste 3D-geprinte latexonderdelen sterke mechanische eigenschappen vertoonden in een matrix die bekend staat als een semi-interpenetrerend polymeernetwerk. die in de eerdere literatuur niet waren gedocumenteerd voor elastomere latexen.

"Een interpenetrerend polymeernetwerk is als het vangen van vis in een net, ' zei Meenakshisundaram. 'De steiger geeft het een vorm. Als je dat eenmaal in de oven hebt gedaan, het water zal verdampen, en de strak opgerolde polymeerketens kunnen ontspannen, verspreiden of stromen, en doordringen in het net."

Een benadering van moleculen tot fabricage

De nieuwe vorderingen in zowel de ontwikkeling als de verwerking van materialen benadrukken de interdisciplinaire omgeving die tussen de twee groepen wordt gekoesterd.

Long en Williams hebben allebei de expertise van hun tegenhanger gecrediteerd voor het mogelijk maken van de collectieve doorbraak.

"Mijn filosofie is dat dit soort innovaties alleen haalbaar zijn als je samenwerkt met mensen die heel anders zijn dan jij, ' zei Lang.

De twee professoren zeiden dat 3D-geprinte latex het conceptuele kader biedt voor het printen van een reeks ongekende materialen, van harde kunststoffen tot zachte rubbers, die tot nu toe niet konden worden afgedrukt.

"Toen ik als afgestudeerde student aan deze technologie werkte, we waren enthousiast om unieke prestaties te krijgen van de vormen die we konden creëren, maar de onderliggende veronderstelling was dat we het moesten doen met zeer slechte materialen, Williams zei. "Wat zo opwindend was aan deze ontdekking met de groep van Tim, is dat we de grens kunnen verleggen van wat we aannamen als de limiet van de prestaties van een gedrukt materiaal."