摘要:硅胶及硅橡胶(PDMS)等典型的软物质材料在柔性电子、医疗器械、可穿戴设备及柔性机器人等领域有广泛的应用。然而当前的大部分硅胶材料由于长固化时间及低粘度特性,并不适合3D打印。本论文给出了硅胶及PDMS类软材料的一种通用3D打印解决方案,可实现各种硅胶的高效、高质打印而不改变原有的力学性能。我们建立了打印的理论模型,系统地分析了硅胶类高弹性体的可打印性,引入了纳米二氧化硅来改善流变及可打印性。我们首次报道了超过2000%拉伸率的高弹性硅胶能高质量通过3D打印成形。为了展示多材料3D打印的前景,我们打印了了医疗假体、数据手套及软体机器人用人工肌肉,我们相信系统的解决各种硅胶的3D打印,将会为软材料的广泛应用提供支撑。

硅胶弹性体由于出色的柔性和生物相容性,广泛应用在医疗假体,柔性电子设备和软机器人等领域。但是,受限于其较低的粘度和较长的固化时间,大量的高性能硅胶弹性体无法高精度打印。

为了解决硅胶弹性体的打印难题,我们提出了一种硅胶3D打印策略,从材料、设备和工艺三个角度系统研究了目前硅胶3D打印面临的技术困境,并提出了相应的解决方案。具体来说,我们通过添加流变改性剂(纳米二氧化硅)来改善硅胶的可打印性,利用边混合边打印的喷头实现了打印时间的无限延长。同时,为了提高打印的速度和精度,我们建立了打印过程的理论模型,利用该模型,硅胶打印的精度可以被准确的预测和控制。这个全面的策略为3D打印硅胶的应用提供了有力的指南。

硅胶3D打印策略的总体框架

图1. 硅胶3D打印策略的总体框架

为了使硅胶可打印,我们在市售的硅胶中添加了纳米二氧化硅作为流变改性剂。分散在硅胶中的纳米二氧化硅颗粒会与硅胶分子链产生弱的相互作用,使得材料体系的粘度显著增加。而在剪切力作用下,这些相互作用会被破坏,从而使得材料体系的粘度降低。基于这个原理,硅胶就能在挤出打印后保持设计的形状而不发生结构坍塌。同时,市售的双组分硅胶在室温下也会缓慢固化,如果将硅胶事先混合好再打印,那么可打印的时间将会被严重限制。因此,我们使用了一种实时混合的打印头。在这个打印头中,硅胶的两种组分被分开储存,而在打印时被同时挤出并在混合叶片的辅助下充分混合。用这种方式,硅胶的打印时间就能无限地延长。

硅胶3D打印的材料改性策略

图2. 硅胶3D打印的材料改性策略

一个可靠的理论模型对于提高硅胶3D打印的精度和速度是至关重要的,在这项工作中,我们建立了挤出打印过程的理论模型,通过控制气压、喷嘴直径和打印速度,打印的精度可以被准确的预测和控制。而通过选择合适的气压和喷嘴,就能在保持打印精度的同时,有效地提高打印的速度。

硅胶3D打印过程的理论模型

图3. 硅胶3D打印过程的理论模型

更值得一提的是,我们提出的这个策略对于不同种类的硅胶是通用的。无论是热固化硅胶还是光固化硅胶,亦或是不同硬度的硅胶,均可以使用这个策略进行打印。一些具有出色力学性能的硅胶,例如可以被拉伸到2000%的硅胶,也被成功地打印成复杂的二维/三维结构。

高弹性硅胶3D打印及复杂结构精确打印

图4. 高弹性硅胶3D打印及复杂结构精确打印

最后,我们使用这项策略打印了一系列的柔性电路和人工肌肉,展现了它在柔性电子和软机器人等领域出色的应用潜力。

使用硅胶打印的柔性电路

图5. 使用硅胶打印的柔性电路

使用硅胶打印的人工肌肉

图5. 使用硅胶打印的人工肌肉

题为“Multimaterial 3D Printing of Highly Stretchable Silicone Elastomer”的相关论文已发表在ACS Applied Materials & Interfaces (IF=8.1)上,周璐瑜硕士为第一作者,贺永教授为通讯作者。

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