蘭州化物所、香港理工《Int. J. Extrem. Manuf.》| 新型硅橡膠油墨—DLP打印軟致動器
時間：2025-01-12 08:25:05 作者：147小編 點擊：
次
博易創流水線數碼打印機--可在多種材質表面打印圖案文字 連續10年榮獲深圳高薪技術產業企業稱號 可在：紙箱紙盒，紙杯餐盒，帆布袋，無紡布，銅版紙，塑料卡片，亞克力，木板等多種材質 產品采購電話：手機/微信：13823737137（呂經理）
包裝紙盒印刷 卡片圖案打印 口罩圖案印花
紙杯餐盒印花 木板圖文印刷 無紡布圖案打印
銅版紙印刷機 帆布袋打印機 食品餅干印花機
中國科學院 蘭州化學理學 科研 所王曉龍 科研 員與香港理工大學徐賓剛教授 在《 International Journal of Extreme Manufacturing 》期刊發布 文案 “ Advanced vat photopolymerization 3D printing of silicone rubber with high precision and superior stability ” ，硅橡膠（ SR）是一種多功能材料，廣泛用于各樣 高級功能應用，例如軟致動器和設備 人、柔性電子設備和醫療設備。然而， 大都數 SR成型辦法 依賴于傳統的熱處理或直接墨水書寫3D （3D）打印 。這些辦法 有害 于制造繁雜 的結構，并存在時間效率低、精度差和需要多個過程 等挑戰，極重 地限制了 SR 的應用。 在這項科研 中，科研 團隊研發 了一種基于SR的墨水，適用于運用 多硫醇單體進行還原光聚合 3D打印 。這種油墨能夠一步制造出擁有 微米級高打印分辨率的繁雜 結構 ，供給 出色的機械強度和卓越的化學穩定性。 詳細 來講 ，優化的3D打印SR -20 表現出 1.96 MPa 的拉伸應力、 487.9% 的斷裂伸長率和 225.4 kPa 的彈性模量。另外 ， 3D 打印的 SR 樣品能夠 承受各樣 溶劑，并承受 ?50 °C 至 180 °C 的溫度范圍，表現出卓越的穩定性。做為 該應用的演示，科研 團隊利用這項技術成功地一步制造了一系列基于 SR 的軟氣動執行器和抓手，首次實現了自由組裝。 這種紫外線固化 SR 擁有 高打印分辨率和卓越的穩定性，在加強 3D 打印在軟致動器、設備 人、柔性電子和醫療設備中的應用能力方面擁有 巨大潛能 。
WHAT——硅橡膠是什么？
硅橡膠（SR）彈性體因其柔韌性、耐熱性、化學穩定性、不透水和成本效益而在航空航天、醫療移植 物、汽車和電子等行業中被證明擁有 很高的價值。它們尤其 適合制造軟致動器/設備 人和柔性電子設備 ，這導致 了人們的極重 興趣。日前 ，大都數 SR彈性體都是 熱固化 的，需要剛性模具經過 過程 制造最后 制品 。這種傳統的制造工藝不僅昂貴且耗時，況且 還限制了創建繁雜 結構的能力。SR基彈性體的常規固化機制，如鉑催化的氫化硅烷化、縮合和過氧化物誘發 的自由基反應，亦 限制了SR彈性體替代成型技術的發展。
WHY——為何 運用 3D打印制造SR彈性體擁有 挑戰？
近期 ，3D打印已作為 一種用于快速制造SR彈性體原型的先進制造辦法 。該技術準許 自由曲面設計、快速原型制作和創建繁雜 結構。有機硅彈性體的兩種重點 3D打印技術是擠出和紫外線（UV）輔助擠出， 叫作 為直接墨水書寫（DIW）和紫外線輔助DIW（UV-DIW） 。盡管取得了重大進步，但日前 的 SR彈性體仍然存在有些 缺點，例如 機械性能較低、打印分辨率有限，以及因為 有機硅前驅體和交聯機制的液體性質而引起 的單一模量和韌性 。為了制造用于軟氣動執行器的 還原光聚合（ VP）3D打印SR彈性體，必須有一種新型有機硅油墨，這種油墨可媲美傳統的熱固化SR，擁有 高機械性能、高打印分辨率和化學穩定性。
HOW——一種用于VP 3D打印的多功能SR墨水，經過 引入多硫醇單體和熱后處理來改善UV固化過程和機械或化學穩定性。
圖1 還原光聚合3D打印機、材料和多材料組合的示意圖
SR中有限的乙烯基含量嚴重限制了VP 工藝中的UV固化速度，另外 SR彈性體固有的柔軟性使打印樣品柔軟而有彈性，使其容易變形且難以原型設計。為了應對這些挑戰，科研 團隊采用了 自上而下的基于 DLP的3D打印機 ，利用 多硫醇單體 PEMP來促進快速的UV固化過程 ，如 圖 1（a） 所示。巰基 -烯點擊反應用于經過 PEMP的巰基紫外線固化和 PDMS-Vi的雙鍵進行 快速原型設計 （ 圖 1（b） ，過程 1）。隨后， 二次熱交聯 導致 SR 前驅體充分聚合，從而改善3D打印物體的機械性能（ 圖 1（b） ，過程 2）。值得重視 的是，經過 交替運用 擁有 區別 稀釋劑含量的油墨，能夠 制備在 垂直方向上擁有 區別 模量 的繁雜 3D 打印部件，例如模量范圍為120至540 kPa的任意組合（ 圖 1（c） ）。
圖 2 固化彈性體的機械、粘度和接觸角性能
如圖2 所示，利用兩周期 固化辦法 （定義為 SR-X），經過 調節硅油含量，能夠 顯著 調節 SR彈性體的機械性能。所制備的SR彈性體不含硅油稀釋劑，表現出優異的機械性能，拉伸應力為3.46 MPa，伸長率為516.83%，彈性模量為 540.56 kPa，韌性為840.14 kJ·m –2 （ 圖2（a）–（d） ）。有趣的是， 隨著硅油含量的增多 ，降低的機械性能擁有 顯著 的梯度行徑 ，說明所制備的 SR 彈性體擁有 優異的韌性可控性 。另外 ，制備的SR彈性體表現出 優異的抗疲勞性能 （ 圖 2（f） ），并且連續加載-卸載50次的重疊曲線顯示 在循環測繪 后無 顯著 的疲勞。最后，所有基于SR的油墨都表現出 典型的剪切稀化行徑 ，為了成功實現VP 3D打印，最少 需要20%的硅油才可 達到最佳粘度，從而保證 高分辨率的樣品制造。 圖 3 固化SR彈性體的溫度、化學和機械穩定性
研發 的SR彈性體在各樣 要求 下表現出卓越的穩定性，包含 高溫和低溫、暴露于各樣 有機溶劑和高壓縮性。如圖 3（a） 所示，盡管拉伸應變在150 °C和180 °C時明顯 降低， 但彈性體的性能仍然與傳統 SR相當 。為了評定 化學穩定性，將 SR-20 彈性體在六種區別 的溶劑中浸泡24小時，結果顯示 ，浸泡后， SR-20彈性體保持其拉伸應力 ，并在 EA和THF中表現出超過300%的應變24 h， 顯示 強度和柔韌性保持不變。最后，對相同的圓柱形 SR-20彈性體試樣進行了汽車壓縮實驗 ，壓縮的SR-20彈性體 恢復后沒有斷裂或不可逆的變形 （ 圖 3（g）和（h） ）。總體而言，所制備的 SR 彈性體表現出 出色的拉伸性、可壓縮性、化學穩定性以及耐高低溫性，在各樣 極端要求 下表示 出各樣 應用的巨大潛能 。
圖4 3D打印SR彈性體的繁雜 結構
設計并構建了各樣 樣品，如貓頭鷹、超材料結構、 Schwarz P 表面、血管原型和擁有 亞毫米級或微米級特征尺寸的微柱狀陣列，以證明有機硅油墨的出色打印性（ 圖 4（a）和（b） ）。這些 3D打印結構揭示了復 雜的形狀、繁雜 的拓撲結構以及線條簡潔、表面光滑的空心結構 （ 圖 4（c）–（e） ）。運用 單步 3D打印工藝和交替SR-X樹脂 經過 改變稀釋劑含量來創建擁有 區別 模量的圓柱（ 圖 4（g） ）。設計并打印了一個由 中心區域的高模量 SR-0和低模量SR-20構成 的晶格結構矩陣 ，以進一步利用 VP 3D打印的優良 來制造 擁有 可調節機械強度的空心結構（ 圖 4（h） ）。因此呢 ，利用一步法 3D打印的多模量集成辦法 在制造繁雜 的設備 人、致動器和包括 各樣 模量組合的組織狀結構方面擁有 巨大潛能 。 圖5 3D打印氣動致動器及其驅動行徑
利用高分辨率 3D 打印技術，有效地創建了一個 擁有 微尺度空隙和通道的軟致動器。這些制備的 SR 彈性體準許 以更快的速度產生更大的彎曲變形，在 0.02 MPa 的氣壓下在 2 秒內實現最大變形（ 圖 5 （ c ）、（ d ） ）。在 圖 5 （ e ） 中， FEA 表示 ，當直致動器變形為半圓時，局部應變達到～ 97.5% 。這顯示 3D 打印的 SR 彈性體擁有 優異的機械性能 。據此，科研 團隊進一步展示了一種完全 3D打印的軟抓手，它由 充氣機驅動并抓取各樣 形狀的物體 （ 圖 5（f）–（i） ）。軟抓手會在氣壓下擴展并持有 一個大空間，以抓取航空杯、乒乓球、塑料立方體以及各樣 形狀和體積 的羽毛球等物品。一旦被夾持的樣品到達目的地，夾持器將再次膨脹，以便在充氣時將其釋放。這個簡單而有效 的過程使軟氣動夾持器能夠完成抓取、運輸和釋放物體的任務。 如圖 5（j）所示 ，球囊能夠 經歷多次充氣和放氣循環。另外 ， 3D 打印的致動器和夾持器表現出 良好的耐用性 ，它們的多次彎曲和膨脹 -收縮行徑 證明了這一點（ 圖 5（k）和（l） ）。因此呢 ，基于 SR的軟氣動執行器和夾持器采用自由組裝辦法 ，一步到位地研發 了基于SR的軟氣動致動器和夾持器，將 高打印分辨率、快速加工速度和繁雜 結構的設計靈活性以及 3D打印SR彈性體的出色機械性能相結合 。
結論： 科研 團隊設計研發 了一系列非常適合 VP 3D打印技術的SR彈性體，擁有 打印分辨率高、機械強度高、機械和化學穩定性高、集成多模量成型等特點 。 利用 UV固化SR彈性體油墨的VP 3D打印，能夠 直接創建繁雜 的3D晶格和能夠出現 明顯 變形的空心結構。氣動驅動器和夾持器展示了高打印分辨率和出色機械強度的優良 ，展示了出色的功能，包含 彎曲、抓取和釋放。這是VP 3D打印制造基于SR的一步式氣動執行器的第1 個實例，無需組裝。研發 的這種 S R 彈性體系統將明顯 加強 VP 3D打印制造軟質和可變形3D結構和設備的能力，包含 軟致動器和設備 人、超材料、柔性電子和許多其他應用。
文案 源自 ：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad9dc0
撰稿人: 鄭子豪
終審人：巢妍霞
歡迎關注，獲取更加多 信息
