雙組份快速固化硅膠油墨為3D打印打開新大門

2024年12月4日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 的研究人員開發(fā)了一種新型3D打印技術(shù)，能夠制造出更大、更高、更薄且孔隙率更高的堅固硅膠結(jié)構(gòu)。

△研究成果已發(fā)表在《先進材料技術(shù)》期刊上，題目為“新型快速固化硅膠油墨，用于單步、無支撐3D打印高大、懸垂、高縱橫比結(jié)構(gòu)”（傳送門）

該團隊利用了一種雙組分的“快速固化”硅膠基墨水，這種墨水在打印前混合并在室溫下迅速凝固。這種技術(shù)允許延長打印時間、簡化制造流程，并確保即使在復雜形狀和配置中，結(jié)構(gòu)也不會發(fā)生坍塌或下垂。材料工程部（MED）博士后、論文主要作者Anna Güell Izard表示：“雖然存在其它硅膠直接墨水書寫技術(shù)，但我們的方法是最簡單且最可靠的解決方案。無需額外的擔憂，您可以直接進行打印。

△雙組份快速固化硅膠油墨可以產(chǎn)生以前無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，例如高大、懸垂或薄壁結(jié)構(gòu)

讓硅膠打印變得簡單

硅膠是一種多功能聚合物，以柔韌性、彈性和生物相容性而受到青睞，適用于防護材料、生物醫(yī)學設備（包括植入物和假肢）、柔性電子產(chǎn)品、軟機器人等多種應用。3D打印，作為一種增材制造技術(shù)，通過制造傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的空心或多孔結(jié)構(gòu)，進一步擴展了硅膠的應用范圍。

直接墨水書寫（DIW）技術(shù)，涉及將材料通過噴嘴擠出并逐層選擇性沉積，特別適合于打印高粘度材料，如硅膠。然而，由于硅膠基墨水自支撐能力較差，傳統(tǒng)DIW技術(shù)僅限于制造簡單的平面設計，難以實現(xiàn)高大、懸垂或薄壁結(jié)構(gòu)的打印。

△使用直接墨水書寫3D打印硅膠結(jié)構(gòu)的局限性

為了成功打印，必須確保機器精度、噴嘴質(zhì)量和墨水特性均達到最佳狀態(tài)，同時保持結(jié)構(gòu)在打印和熱固化過程中的穩(wěn)定性。此外，打印過程需要在墨水開始凝固前完成，這增加了擠出的難度。針對這些挑戰(zhàn)，該團隊開發(fā)了新型油墨配方和改進的打印工藝。

研究人員開發(fā)的新型硅膠油墨包含催化劑（加速化學反應的物質(zhì)）和交聯(lián)劑（連接分子的化合物）。這些組分在擠出過程中通過在線混合逐漸混合，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的粘合。這種技術(shù)類似于雙組分環(huán)氧樹脂的快速固化（FC）油墨，其中交聯(lián)劑和催化劑在擠出前是分開的，確保它們在流經(jīng)噴嘴時不斷混合。

△用于打印FC油墨的直列混合器系統(tǒng)示意圖。圖表和曲線圖展示了快速固化部分A與部分B的模量變化及其與基線油墨的對比，并顯示了混合油墨在室溫下的模量隨時間的變化

雙組分環(huán)氧樹脂的快速固化（FC）油墨

這種新型硅膠油墨中的化學物質(zhì)在擠出后迅速凝結(jié)并立即固化，消除了對打印時間的限制，并且無需額外步驟硬化或固化材料。

Güell Izard指出：“由于油墨是分開的，您無需擔心打印時間，因為它不會在注射器中凝固。它還更堅固，因為各層在打印過程中會凝結(jié)，確保結(jié)構(gòu)不會發(fā)生下垂�！�

FC配方允許研究人員控制從混合到打印再到固化的整個過程，從而提高自支撐能力并改善形狀保持性。與單組分基線相比，雙組份FC墨水具有相似的流變性（流動特性），并成功打印了兩種常見形狀的木樁，形狀保持性更好，下垂程度減少了約一半。Güell Izard和她的團隊對這些結(jié)果感到非常興奮，成功打印出了以前用硅膠難以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，例如高聳細長的結(jié)構(gòu)、無支撐的銳利懸垂結(jié)構(gòu)和基于殼的晶格結(jié)構(gòu)，如螺旋狀體和立方八面體，孔隙率高達90%。

△使用基線墨水和快速固化（FC）墨水在不同條件下打印的結(jié)構(gòu)，包括細長SC木樁、懸垂結(jié)構(gòu)、立方八面體和螺旋晶格，所有圖像均為后固化狀態(tài)

她表示：“這些美麗的立方八面體和懸垂結(jié)構(gòu)與打印時保持一致，壁面非常堅固，而使用基線墨水打印的結(jié)構(gòu)則會坍塌。這讓我們相信我們發(fā)現(xiàn)了一些重要的東西，所有這些神奇的化學物質(zhì)都在發(fā)揮作用。”

未來，研究人員將進一步測試這項技術(shù)的極限，并通過調(diào)整雙組分系統(tǒng)的參數(shù)來精確控制墨水的特性。例如，團隊指出凝膠時間取決于催化劑的量，因此化學物質(zhì)可能在確定結(jié)構(gòu)的高度和懸垂特征方面扮演關(guān)鍵角色。另外，團隊還希望將這一概念擴展到其它材料，用于解鎖更多新的結(jié)構(gòu)可能性。