兰州化物所、香港理工《Int. J. Extrem. Manuf.》| 新型硅橡胶油墨—DLP打印软致动器
时间：2025-01-12 08:25:05 作者：147小编 点击：
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中国科学院 兰州化学理学 科研 所王晓龙 科研 员与香港理工大学徐宾刚教授 在《 International Journal of Extreme Manufacturing 》期刊发布 文案 “ Advanced vat photopolymerization 3D printing of silicone rubber with high precision and superior stability ” ，硅橡胶（ SR）是一种多功能材料，广泛用于各样 高级功能应用，例如软致动器和设备 人、柔性电子设备和医疗设备。然而， 大都数 SR成型办法 依赖于传统的热处理或直接墨水书写3D （3D）打印 。这些办法 有害 于制造繁杂 的结构，并存在时间效率低、精度差和需要多个过程 等挑战，极重 地限制了 SR 的应用。 在这项科研 中，科研 团队研发 了一种基于SR的墨水，适用于运用 多硫醇单体进行还原光聚合 3D打印 。这种油墨能够一步制造出拥有 微米级高打印分辨率的繁杂 结构 ，供给 出色的机械强度和卓越的化学稳定性。 详细 来讲 ，优化的3D打印SR -20 表现出 1.96 MPa 的拉伸应力、 487.9% 的断裂伸长率和 225.4 kPa 的弹性模量。另外 ， 3D 打印的 SR 样品能够 承受各样 溶剂，并承受 −50 °C 至 180 °C 的温度范围，表现出卓越的稳定性。做为 该应用的演示，科研 团队利用这项技术成功地一步制造了一系列基于 SR 的软气动执行器和抓手，首次实现了自由组装。 这种紫外线固化 SR 拥有 高打印分辨率和卓越的稳定性，在加强 3D 打印在软致动器、设备 人、柔性电子和医疗设备中的应用能力方面拥有 巨大潜能 。
WHAT——硅橡胶是什么？
硅橡胶（SR）弹性体因其柔韧性、耐热性、化学稳定性、不透水和成本效益而在航空航天、医疗移植 物、汽车和电子等行业中被证明拥有 很高的价值。它们尤其 适合制造软致动器/设备 人和柔性电子设备 ，这导致 了人们的极重 兴趣。日前 ，大都数 SR弹性体都是 热固化 的，需要刚性模具经过 过程 制造最后 制品 。这种传统的制造工艺不仅昂贵且耗时，况且 还限制了创建繁杂 结构的能力。SR基弹性体的常规固化机制，如铂催化的氢化硅烷化、缩合和过氧化物诱发 的自由基反应，亦 限制了SR弹性体替代成型技术的发展。
WHY——为何 运用 3D打印制造SR弹性体拥有 挑战？
近期 ，3D打印已作为 一种用于快速制造SR弹性体原型的先进制造办法 。该技术准许 自由曲面设计、快速原型制作和创建繁杂 结构。有机硅弹性体的两种重点 3D打印技术是挤出和紫外线（UV）辅助挤出， 叫作 为直接墨水书写（DIW）和紫外线辅助DIW（UV-DIW） 。尽管取得了重大进步，但日前 的 SR弹性体仍然存在有些 缺点，例如 机械性能较低、打印分辨率有限，以及因为 有机硅前驱体和交联机制的液体性质而引起 的单一模量和韧性 。为了制造用于软气动执行器的 还原光聚合（ VP）3D打印SR弹性体，必须有一种新型有机硅油墨，这种油墨可媲美传统的热固化SR，拥有 高机械性能、高打印分辨率和化学稳定性。
HOW——一种用于VP 3D打印的多功能SR墨水，经过 引入多硫醇单体和热后处理来改善UV固化过程和机械或化学稳定性。
图1 还原光聚合3D米乐（m6）官方网站、材料和多材料组合的示意图
SR中有限的乙烯基含量严重限制了VP 工艺中的UV固化速度，另外 SR弹性体固有的柔软性使打印样品柔软而有弹性，使其容易变形且难以原型设计。为了应对这些挑战，科研 团队采用了 自上而下的基于 DLP的3D米乐（m6）官方网站 ，利用 多硫醇单体 PEMP来促进快速的UV固化过程 ，如 图 1（a） 所示。巯基 -烯点击反应用于经过 PEMP的巯基紫外线固化和 PDMS-Vi的双键进行 快速原型设计 （ 图 1（b） ，过程 1）。随后， 二次热交联 导致 SR 前驱体充分聚合，从而改善3D打印物体的机械性能（ 图 1（b） ，过程 2）。值得重视 的是，经过 交替运用 拥有 区别 稀释剂含量的油墨，能够 制备在 垂直方向上拥有 区别 模量 的繁杂 3D 打印部件，例如模量范围为120至540 kPa的任意组合（ 图 1（c） ）。
图 2 固化弹性体的机械、粘度和接触角性能
如图2 所示，利用两周期 固化办法 （定义为 SR-X），经过 调节硅油含量，能够 显著 调节 SR弹性体的机械性能。所制备的SR弹性体不含硅油稀释剂，表现出优异的机械性能，拉伸应力为3.46 MPa，伸长率为516.83%，弹性模量为 540.56 kPa，韧性为840.14 kJ·m –2 （ 图2（a）–（d） ）。有趣的是， 随着硅油含量的增多 ，降低的机械性能拥有 显著 的梯度行径 ，说明所制备的 SR 弹性体拥有 优异的韧性可控性 。另外 ，制备的SR弹性体表现出 优异的抗疲劳性能 （ 图 2（f） ），并且连续加载-卸载50次的重叠曲线显示 在循环测绘 后无 显著 的疲劳。最后，所有基于SR的油墨都表现出 典型的剪切稀化行径 ，为了成功实现VP 3D打印，最少 需要20%的硅油才可 达到最佳粘度，从而保证 高分辨率的样品制造。 图 3 固化SR弹性体的温度、化学和机械稳定性
研发 的SR弹性体在各样 要求 下表现出卓越的稳定性，包含 高温和低温、暴露于各样 有机溶剂和高压缩性。如图 3（a） 所示，尽管拉伸应变在150 °C和180 °C时明显 降低， 但弹性体的性能仍然与传统 SR相当 。为了评定 化学稳定性，将 SR-20 弹性体在六种区别 的溶剂中浸泡24小时，结果显示 ，浸泡后， SR-20弹性体保持其拉伸应力 ，并在 EA和THF中表现出超过300%的应变24 h， 显示 强度和柔韧性保持不变。最后，对相同的圆柱形 SR-20弹性体试样进行了汽车压缩实验 ，压缩的SR-20弹性体 恢复后没有断裂或不可逆的变形 （ 图 3（g）和（h） ）。总体而言，所制备的 SR 弹性体表现出 出色的拉伸性、可压缩性、化学稳定性以及耐高低温性，在各样 极端要求 下表示 出各样 应用的巨大潜能 。
图4 3D打印SR弹性体的繁杂 结构
设计并构建了各样 样品，如猫头鹰、超材料结构、 Schwarz P 表面、血管原型和拥有 亚毫米级或微米级特征尺寸的微柱状阵列，以证明有机硅油墨的出色打印性（ 图 4（a）和（b） ）。这些 3D打印结构揭示了复 杂的形状、繁杂 的拓扑结构以及线条简洁、表面光滑的空心结构 （ 图 4（c）–（e） ）。运用 单步 3D打印工艺和交替SR-X树脂 经过 改变稀释剂含量来创建拥有 区别 模量的圆柱（ 图 4（g） ）。设计并打印了一个由 中心区域的高模量 SR-0和低模量SR-20构成 的晶格结构矩阵 ，以进一步利用 VP 3D打印的优良 来制造 拥有 可调节机械强度的空心结构（ 图 4（h） ）。因此呢 ，利用一步法 3D打印的多模量集成办法 在制造繁杂 的设备 人、致动器和包括 各样 模量组合的组织状结构方面拥有 巨大潜能 。 图5 3D打印气动致动器及其驱动行径
利用高分辨率 3D 打印技术，有效地创建了一个 拥有 微尺度空隙和通道的软致动器。这些制备的 SR 弹性体准许 以更快的速度产生更大的弯曲变形，在 0.02 MPa 的气压下在 2 秒内实现最大变形（ 图 5 （ c ）、（ d ） ）。在 图 5 （ e ） 中， FEA 表示 ，当直致动器变形为半圆时，局部应变达到∼ 97.5% 。这显示 3D 打印的 SR 弹性体拥有 优异的机械性能 。据此，科研 团队进一步展示了一种完全 3D打印的软抓手，它由 充气机驱动并抓取各样 形状的物体 （ 图 5（f）–（i） ）。软抓手会在气压下扩展并持有 一个大空间，以抓取航空杯、乒乓球、塑料立方体以及各样 形状和体积 的羽毛球等物品。一旦被夹持的样品到达目的地，夹持器将再次膨胀，以便在充气时将其释放。这个简单而有效 的过程使软气动夹持器能够完成抓取、运输和释放物体的任务。 如图 5（j）所示 ，球囊能够 经历多次充气和放气循环。另外 ， 3D 打印的致动器和夹持器表现出 良好的耐用性 ，它们的多次弯曲和膨胀 -收缩行径 证明了这一点（ 图 5（k）和（l） ）。因此呢 ，基于 SR的软气动执行器和夹持器采用自由组装办法 ，一步到位地研发 了基于SR的软气动致动器和夹持器，将 高打印分辨率、快速加工速度和繁杂 结构的设计灵活性以及 3D打印SR弹性体的出色机械性能相结合 。
结论： 科研 团队设计研发 了一系列非常适合 VP 3D打印技术的SR弹性体，拥有 打印分辨率高、机械强度高、机械和化学稳定性高、集成多模量成型等特点 。 利用 UV固化SR弹性体油墨的VP 3D打印，能够 直接创建繁杂 的3D晶格和能够出现 明显 变形的空心结构。气动驱动器和夹持器展示了高打印分辨率和出色机械强度的优良 ，展示了出色的功能，包含 弯曲、抓取和释放。这是VP 3D打印制造基于SR的一步式气动执行器的第1 个实例，无需组装。研发 的这种 S R 弹性体系统将明显 加强 VP 3D打印制造软质和可变形3D结构和设备的能力，包含 软致动器和设备 人、超材料、柔性电子和许多其他应用。
文案 源自 ：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad9dc0
撰稿人: 郑子豪
终审人：巢妍霞
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