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、可穿戴設備及柔性機器人等領域有廣泛的應用。然而當前的大部分硅膠材料由于長固化時間及低粘度特性，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，可實現(xiàn)各種硅膠的高效、高質(zhì)打印而不改變原有的力學性能。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改善流變及可打印性。并首次報道了超過2000%拉伸率的高彈性硅膠能高質(zhì)量通過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)手套及軟體機器人用人工肌肉，系統(tǒng)的解決各種硅膠的3D打印，將會為軟材料的廣泛應用提供支撐。

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

為了解決硅膠彈性體的打印難題，浙江大學機械工程學院賀永教授課題組提出了一種硅膠3D打印策略，從材料、設備和工藝三個角度系統(tǒng)研究了目前硅膠3D打印面臨的技術困境，并提出了相應的解決方案。具體來說，他們通過添加流變改性劑（納米二氧化硅）來改善硅膠的可打印性，利用邊混合邊打印的噴頭實現(xiàn)了打印時間的無限延長。同時，為了提高打印的速度和精度，他們建立了打印過程的理論模型，利用該模型，硅膠打印的精度可以被準確的預測和控制。這個全面的策略為3D打印硅膠的應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，他們在市售的硅膠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，這些相互作用會被破壞，從而使得材料體系的粘度降低?；谶@個原理，硅膠就能在擠出打印后保持設計的形狀而不發(fā)生結構坍塌。同時，市售的雙組分硅膠在室溫下也會緩慢固化，如果將硅膠事先混合好再打印，那么可打印的時間將會被嚴重限制。因此，他們使用了一種實時混合的打印頭。在這個打印頭中，硅膠的兩種組分被分開儲存，而在打印時被同時擠出并在混合葉片的輔助下充分混合。用這種方式，硅膠的打印時間就能無限地延長。

圖2. 硅膠3D打印的材料改性策略

一個可靠的理論模型對于提高硅膠3D打印的精度和速度是至關重要的，在這項工作中，他們建立了擠出打印過程的理論模型，通過控制氣壓、噴嘴直徑和打印速度，打印的精度可以被準確的預測和控制。而通過選擇合適的氣壓和噴嘴，就能在保持打印精度的同時，有效地提高打印的速度。

圖3. 硅膠3D打印過程的理論模型

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

圖4. 高彈性硅膠3D打印及復雜結構精確打印

最后，他們使用這項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器人等領域出色的應用潛力。

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