物料

美国陆军实验室和得克萨斯州A&M研究人员开发“自愈”聚合物3D打印材料

研究人员得克萨斯州A与M大学美国陆军研究实验室已经开发可回收,自愈聚合物3D打印材料的一个新的家庭。

通过增加交联现有弹性体中的分子数,研究小组发现,他们可以给材料强度的定制水平。聚合物共价永久网络也证实分离或重新连接它们的化学联系,一旦暴露于高温的能力。因此,新设计的聚合物中的任何断裂的键可以通过简单地加热它们向上“愈合”。据研究团队,从假肢的技术范围的潜在应用前景,以灵活的航空航天部件。

“我们已经取得的,其性质可以是微调,以获得橡胶任柔软或承重塑料的强度材料的令人兴奋的小组,”斯韦特兰娜Sukhishvili博士,教授在材料科学与工程学院在得克萨斯部门说上午。“他们的可印刷性和能力在几秒钟内自我修复,使它们适用于不只是更现实的假肢和软机器人技术,同时也非常适合广泛的军事应用,如飞行器和未来自愈飞机机翼敏捷的平台。”

3D与弹性体材料上打印

生物组织例如皮肤和腱设有数也是三维打印内期望的特性。纤维组织能够与不同组织的无缝集成,并医治一旦破裂。整合类似的功能到柔性聚合物材料印刷的潜在可能开辟新的领域,以软机器人技术和消费电子产品中的3D打印,但事实证明这很难迄今。

现有技术如悬浮层3D打印,利用复杂的液体油墨配方,以实现良好的层间粘合性,但成本已妨碍了它们的广泛采用。通常使用的印刷方法,如熔融沉积成型(FDM)是更有成本效益,但不提供粘附或机械强度的相同的水平。

永久交联的弹性体树脂是低效的也是如此,相比普通光聚合物提供增强的强度,但是,由于它是不可回收的费用。此前的研究进入倒车交联工艺还尝试用热后处理,但是这可能会影响材料的强度和能力进行重新处理。

Sukhishvilli博士解释可回收交联的重要性,过程比较布制作拼接。“跨界就像在一块布,越针你有拆线,更硬的材料获得,反之亦然,” Sukhishvili说。“但不是有这些‘针’是永久性的,我们希望能够实现动态的和可逆的交联,使我们可以创建可回收材料。”

动态共价聚合物网络提供的,因为它们既提供增强层的粘附性和尚未由现有的光聚合物所提供的可重用性的唯一的选择。弹性体网络也与第尔斯 - 阿尔德(DA)反应相容的,这意味着它的链路可以是“点击一起”和“未点击”而没有任何副产物。DA反应具有热可逆性的附加益处太,给予受影响的材料在120掰开在温度的能力ØC,然后重新接通一次冷却。

基于DA-聚合物基本上是能够通过共价键,释放能够修复其损坏的网络呋喃和马来酰亚胺基部分的加热诱导解离自愈。利用此可逆共价DA反应,研究人员产生的家庭reprintable共价交联的聚合物网络。

该联合研究小组开发可重复使用的,自愈弹性体的3D打印材料的新范围(如图)。通过得克萨斯州A与M大学照片。
该联合研究小组开发可重复使用的,自愈弹性体的3D打印材料的新范围(如图)。通过得克萨斯州A与M大学照片。

该研究小组的聚合物的新家庭

由研究人员产生的树脂包括低聚线性预聚物和abismaleimide(BMI)的交联剂的混合物组成。将不同量的BMI被“散布”在聚合物上,并通过附着热可逆DA反应有两个交联分子,呋喃和马来酰亚胺。改变交联分子的量被发现,调整材料的刚度,通过高达1000倍标准光聚合物的水平潜在地增加了它。

在测试过程中,研究人员能够以使用他们的新弹性体和FDM 3D打印实体对象,但并非没有缺点。一旦冷却至低于120ØC,材料的粘度急剧增加,表明其改造成固体动态网络。

如果暴露于温度高于140ØC,遭受了呈现他们不可回收不规则DA-印刷(DAP)的材料。为了更好地理解在冷却过程中,研究人员迅速从120减少了他们的弹性体的温度ØÇ至室温并监测结果。

评估他们的实验中,研究小组发现,在80ppm和176ppm的变化表明,当交联剂跑了出来,整个过程放慢。相比模塑样品中,3D印刷的DAP也表现出0.5-0.7兆帕较大的抗拉强度,表示材料来填充间隙常规打印部分内发现的能力。

研究人员的交联工艺(如图)被证明是120度以上可逆的。通过先进的科学新闻杂志图片。
研究人员的交联工艺(如图)被证明是120度以上可逆的。通过先进的科学新闻杂志图片。

进一步测试其DAP网络,该球队匹配与变化的机械性能不同的交联密度以产生具有不匹配的机械接口的一部分。对象是3D使用多个注射器挤出机,各自具有专门的DAP印有三种不同的材料。摘要压力试验表明,该部件呈现出比使用传统FDM的聚合物材料制造的部件更高的强度。

因此连续的测试已经显示出的材料的潜力,在强度和弹性模量梯度创建部件。调整BMI的量用于创建零件也让他们与点播的特性为特定应用程序创建。其结果是,研究小组得出的结论是他们对材料的新家庭需要进一步的调整,但在未来,他们可以被用来创建一系列机械多样的对象。

“现在,我们可以很容易地实现围绕在室温下80%自愈,但我们想达到100%。另外,我们希望使我们的材料响应不同于温度等刺激,如光,”弗兰克博士Gardea,在美国陆军研究实验室研究工程师说。“再下一步,我们想探索引入一些低级别的情报使这些材料知道,而无需用户启动过程中自动适应。”

弹性体材料在三维打印

通过弹性体3D打印材料提供的灵活性和实力往往导致他们在消费产品中的应用,如鞋垫。近年来,一些研究人员已经开发出基于增强的弹性体树脂,以尝试不同的行业内扩大自己的使用情况。

科学家组成的团队的带领下美国弗吉尼亚理工大学(VTU)勾结米其林北美创建新颖的3D印刷弹性体橡胶材料。加入光引发剂和其他化合物的胶乳液体混合物允许团队整合的支架到3D印刷过程中,提供额外的强度。

从研究者美国科罗拉多州丹佛大学科技的南方大学开发了蜜般的的液晶弹性体(LCE)树脂。一旦3D印刷成格子结构中,树脂开始模拟软骨,开创了新的材料的医疗应用。

3D打印公司,如3DSystems也纷纷推出自己的弹性体材料,与该公司解除其图4 RUBBER-65A今年早些时候BLK材料。该材料显示高断裂伸长率,提供柔软性和耐久性高的水平。

该合资项目是由得克萨斯州A与M大学和美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室进行。研究人员的发现在他们的论文中详细介绍题为“弹性到刚性,3D打印,Interbonding聚合物网络的可定制系列”这是发表在先进功能材料杂志。该报告是由周青,弗兰克Gardea,振生,Seunghyun李,马特·菲尔和斯韦特兰娜A. Sukhishvili共同撰写。

提名2020 3D印刷业大奖仍然是开放的,让我们知道现在谁处于业界领先地位。

的第四版3D印刷业大奖奖杯设计大赛现在正在进行。输入您的设计赢得了CraftBot流量3D打印机的机会。

要保持最新与最新的3D打印新闻,不要忘记订阅3D印刷业通讯或关注我们的推特或喜欢我们的页面上Facebook的

您是否正在寻找在添加剂制造行业工作?访问3D打印作业对于选择在行业内的角色。

特色形象示人的研究团队新近开发的弹性体的3D打印材料。通过得克萨斯州A与M大学照片。