最具伸缩性和可UV固化3D打印弹性体（转载）
发布日期：2017-03-27
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【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。
