浙大賀永教授課題組：通用的3D打印多材料高彈性硅膠方法

來(lái)源：賀永教授博客

硅膠及硅橡膠（PDMS）等典型的軟物質(zhì)材料在柔性電子、醫(yī)療器械、可穿戴設(shè)備及柔性機(jī)器人等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。然而當(dāng)前的大部分硅膠材料由于長(zhǎng)固化時(shí)間及低粘度特性，并不適合3D打印。該論文給出了硅膠及PDMS類軟材料的一種通用3D打印解決方案，可實(shí)現(xiàn)各種硅膠的高效、高質(zhì)打印而不改變?cè)械牧W(xué)性能。他們建立了打印的理論模型，系統(tǒng)地分析了硅膠類高彈性體的可打印性，引入了納米二氧化硅來(lái)改善流變及可打印性。并首次報(bào)道了超過(guò)2000%拉伸率的高彈性硅膠能高質(zhì)量通過(guò)3D打印成形。為了展示多材料3D打印的前景，他們打印了了醫(yī)療假體、數(shù)據(jù)手套及軟體機(jī)器人用人工肌肉，系統(tǒng)的解決各種硅膠的3D打印，將會(huì)為軟材料的廣泛應(yīng)用提供支撐。

硅膠彈性體由于出色的柔性和生物相容性，廣泛應(yīng)用在醫(yī)療假體，柔性電子設(shè)備和軟機(jī)器人等領(lǐng)域。但是，受限于其較低的粘度和較長(zhǎng)的固化時(shí)間，大量的高性能硅膠彈性體無(wú)法高精度打印。

為了解決硅膠彈性體的打印難題，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授課題組提出了一種硅膠3D打印策略，從材料、設(shè)備和工藝三個(gè)角度系統(tǒng)研究了目前硅膠3D打印面臨的技術(shù)困境，并提出了相應(yīng)的解決方案。具體來(lái)說(shuō)，他們通過(guò)添加流變改性劑（納米二氧化硅）來(lái)改善硅膠的可打印性，利用邊混合邊打印的噴頭實(shí)現(xiàn)了打印時(shí)間的無(wú)限延長(zhǎng)。同時(shí)，為了提高打印的速度和精度，他們建立了打印過(guò)程的理論模型，利用該模型，硅膠打印的精度可以被準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和控制。這個(gè)全面的策略為3D打印硅膠的應(yīng)用提供了有力的指南。

圖1. 硅膠3D打印策略的總體框架

為了使硅膠可打印，他們?cè)谑惺鄣墓枘z中添加了納米二氧化硅作為流變改性劑。分散在硅膠中的納米二氧化硅顆粒會(huì)與硅膠分子鏈產(chǎn)生弱的相互作用，使得材料體系的粘度顯著增加。而在剪切力作用下，這些相互作用會(huì)被破壞，從而使得材料體系的粘度降低。基于這個(gè)原理，硅膠就能在擠出打印后保持設(shè)計(jì)的形狀而不發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌。同時(shí)，市售的雙組分硅膠在室溫下也會(huì)緩慢固化，如果將硅膠事先混合好再打印，那么可打印的時(shí)間將會(huì)被嚴(yán)重限制。因此，他們使用了一種實(shí)時(shí)混合的打印頭。在這個(gè)打印頭中，硅膠的兩種組分被分開儲(chǔ)存，而在打印時(shí)被同時(shí)擠出并在混合葉片的輔助下充分混合。用這種方式，硅膠的打印時(shí)間就能無(wú)限地延長(zhǎng)。

圖2. 硅膠3D打印的材料改性策略

一個(gè)可靠的理論模型對(duì)于提高硅膠3D打印的精度和速度是至關(guān)重要的，在這項(xiàng)工作中，他們建立了擠出打印過(guò)程的理論模型，通過(guò)控制氣壓、噴嘴直徑和打印速度，打印的精度可以被準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和控制。而通過(guò)選擇合適的氣壓和噴嘴，就能在保持打印精度的同時(shí)，有效地提高打印的速度。

圖3. 硅膠3D打印過(guò)程的理論模型

更值得一提的是，他們提出的這個(gè)策略對(duì)于不同種類的硅膠是通用的。無(wú)論是熱固化硅膠還是光固化硅膠，亦或是不同硬度的硅膠，均可以使用這個(gè)策略進(jìn)行打印。一些具有出色力學(xué)性能的硅膠，例如可以被拉伸到2000%的硅膠，也被成功地打印成復(fù)雜的二維/三維結(jié)構(gòu)。

圖4. 高彈性硅膠3D打印及復(fù)雜結(jié)構(gòu)精確打印

最后，他們使用這項(xiàng)策略打印了一系列的柔性電路和人工肌肉，展現(xiàn)了它在柔性電子和軟機(jī)器人等領(lǐng)域出色的應(yīng)用潛力。

圖5. 使用硅膠打印的柔性電路

圖6. 使用硅膠打印的人工肌肉

題為“Multimaterial 3D Printing of Highly Stretchable Silicone Elastomer”的相關(guān)論文已發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (IF=8.1)上，周璐瑜碩士為第一作者，賀永教授為通訊作者。

論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b04873