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Highly Stretchable and UV Curable Elastomers for Digital Light Processing Based 3D Printing - Reprint

2017-02-24


【引言】

弹性体作为一种通用材料,以其优异的材料性质(弹性,回复性以及电绝缘和热绝缘特性等)一直处于材料研究的前沿,并已广泛的应用于各种领域中。 尤其是像那些对材料柔性和可变形性有严苛需求的应用, 例如软体机器人,柔性电子产品和智能生物医学设备等,更需要像弹性体这样的材料,以便全方位地与人类建立安全顺畅的互动。

然而,迄今为止,最广泛使用的硅橡胶基弹性体往往需要热固化工艺,这就使其制造限制在用传统的切割,成型和铸造等方法,同时也限制了其设计自由度和几何复杂性。近几年来,基于紫外(UV)固化的3D打印技术逐渐成熟。该技术可以通过图案化UV光将液体聚合物树脂固化为3D物体。考虑到设计的丰富性和制造的灵活性,研究人员尝试使用3D打印技术来制造3D弹性体。 然而,大多数市售可UV打印的液体聚合物树脂打印出的3D弹性体伸缩性能不尽如人意,往往在伸缩量小于200%(原始长度的两倍)的长度时断裂,这大大限制了它的实用性。


【成果简介】

新加坡科技设计大学(Singapore University of Technology and Desngin, SUTD)数字制造和设计中心(Digital Manufacturing and Design Center, DManD)葛锜教授(通讯作者),和以色列耶路撒冷希伯来大学(Hebrew University of Jerusalem, HUJI)Shlomo Magdassi教授(通讯作者)等人合作共同研究开发了一系列高度可拉伸和可UV固化(SUV)弹性体。 这种新型弹性体的拉伸程度可高达1100%,是现有各种市售弹性体的断裂伸长率的五倍以上,并且适用于基于UV固化的3D打印技术。这种SUV弹性体可直接使用高分辨率3D打印机打印出可显示出极大变形的复杂3D晶格或中空结构 (各向同性桁架,负泊松比结构,气球,气动驱动器等。同时,SUV弹性体还保持良好的机械重复性,这使得它们有潜力成为制造柔性电子器件的良好材料。 上述研究成果以“Highly Stretchable and UV Curable Elastomers for Digital Light Processing Based 3D Printing” 为题发表在2017年2月7日的Advanced Materials上。


【图文导读】

图1 高伸缩性可紫外 (SUV)固化弹性体

a)比较不可UV固化的硅橡胶,市售的可UV固化弹性体和本文的SUV弹性体之间的断裂伸长率。

b)3D打印的高度可变形各向同性桁架:

    (i)等距透视图,(ii)未变形形状,(iii)压缩试验中的变形形状。

c)  3D打印的可高度变形负泊松比结构:

    (i)前视图,(ii)未变形形状,(iii)压缩试验中的变形形状。

d)3D打印的可高度变形气球:

    (i)未变形形状,(ii)膨胀三倍后的形状,(iii)FEA模拟表明在径向方向上,气囊壁被压缩约160%。

比例尺为10mm。


图2 SUV弹性体的材料性能

a)各种不同配比的SUV弹性体的高拉伸应力 - 应变行为。

b)透明SUV弹性体样品拉伸约10倍的快照。

c) SUV弹性体和TangoPlus之间的拉伸性,杨氏模量和韧性的比较。

d)SUV弹性体和其他市售弹性体之间的透光率的比较。


图3 3D打印柔性气动执行器

a–d)   在加压空气下表现出大的变形弯曲的柔性执行器的快照和FEA模拟。

e)FEA模拟揭示了大的局部变形。

f) 3D打印的夹具。

g)3D打印的夹具在加压空气下打开。

h)3D打印的夹具抓取物体的过程。


图4 可用于电开关的导电布基球

a)  一个完全涂覆有银纳米颗粒的布基球。

b)  压缩布基球后LED灯亮起。

c)  一个选择性地涂覆有银纳米颗粒的布基球。

d)  在压缩选择性涂覆的布基球后,LED灯点亮。

e)  有限元模拟。

f)  在2000次循环压缩试验下布基球的导电率。

比例尺为10 mm。

【小结】

新的SUV弹性体使我们能够在一小时内打印复杂的几何结构和设备,如3D软体机器人夹具。与传统的成型和铸造方法相比,使用基于UV固化的3D打印SUV弹性体将显著减少制造时间, 从几小时,甚至几天压缩到几分钟或几小时。因为传统方法中复杂和耗时的制造步骤,例如模具建造,模制/脱模和部件组装,将被简单易操作的3D打印步骤替换。同时,SUV弹性体不仅能够维持大的弹性变形,而且可保持良好的机械重复性,这使得它们有潜力成为制造柔性电子器件的良好材料。总的来说, SUV弹性体的开发和基于UV固化的3D打印技术将显著提高制造柔性和可变形的3D结构和设备的能力,以便更好的服务于软体启动器,软体机器人,柔性电子,声学超材料以及其他各个方面的应用。

文献链接: Highly Stretchable and UV Curable Elastomers for Digital Light Processing Based 3D Printing(Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201606000)

转载自材料人,新加坡科技设计大学张彪博士投稿,材料牛编辑晓fire编辑整理。

 

 

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