I ricercatori della Virginia Tech hanno scoperto un nuovo processo per stampare in 3D la gomma di lattice, sbloccando la capacità di stampare una varietà di materiali elastici con forme geometriche complesse.

lattice, comunemente noto come il materiale dei guanti o della vernice, si riferisce a un gruppo di polimeri:lunghi, catene ripetute di molecole, avvolte all'interno di nanoparticelle disperse in acqua. Il lattice stampato in 3D e altri materiali simili alla gomma chiamati elastomeri potrebbero essere utilizzati per una varietà di applicazioni, compresa la robotica morbida, dispositivi medici, o ammortizzatori.

Il lattice stampato in 3D è stato documentato solo una manciata di volte nella letteratura scientifica. Nessuno degli esempi precedenti si avvicina alle proprietà meccaniche del lattice stampato da un team interdisciplinare affiliato al Macromolecules Innovation Institute (MII), il Collegio delle Scienze, e la Facoltà di Ingegneria.

Attraverso nuove innovazioni sia nelle discipline della chimica che dell'ingegneria meccanica, il team ha superato alcuni limiti di vecchia data della stampa 3D, noto anche come produzione additiva. I ricercatori hanno modificato chimicamente i lattici liquidi per renderli stampabili e hanno costruito una stampante 3D personalizzata con un sistema di visione artificiale integrato per stampare in modo accurato, caratteristiche ad alta risoluzione di questo materiale ad alte prestazioni.

"Questo progetto rappresenta l'esempio per eccellenza di ricerca interdisciplinare, " disse Timothy Long, un professore di chimica e un investigatore co-principale su questo progetto insieme a Christopher Williams, la L.S. Randolph Professore di ingegneria meccanica e direttore ad interim del MII. "Nessuno dei nostri laboratori sarebbe in grado di farlo senza l'altro".

Questo progetto è una collaborazione congiunta tra Virginia Tech e Michelin North America tramite un premio della National Science Foundation in linea con il programma Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry, che supporta la ricerca in team tra il mondo accademico e l'industria. I dettagli dei loro risultati iniziali sono dettagliati in un articolo di giornale pubblicato in Materiali e interfacce applicati ACS .

Sviluppo di nuovi materiali nella scienza

Dopo tentativi infruttuosi di sintetizzare un materiale che fornisse il peso molecolare e le proprietà meccaniche ideali, Phil Scott, uno studente di scienze macromolecolari e ingegneria al quinto anno del Long Research Group, si rivolse a lattici liquidi commerciali.

I ricercatori alla fine volevano questo materiale in una solida forma stampata in 3D, ma Scott prima aveva bisogno di aumentare la composizione chimica per consentirne la stampa.

Scott ha incontrato una sfida fondamentale:il lattice liquido è estremamente fragile e difficile da alterare per i chimici.

"I lattici sono in uno stato di Zen, " disse Viswanath Meenakshisundaram, un dottorato di ricerca in ingegneria meccanica del quinto anno. studente in Design, Ricerca, e Education for Additive Manufacturing Systems Lab che ha collaborato con Scott. "Se ci aggiungi qualcosa, perderà completamente la sua stabilità e si schianterà."

Quindi, i chimici ebbero una nuova idea:e se Scott costruisse un'impalcatura, simili a quelli utilizzati nella costruzione di edifici, intorno alle particelle di lattice per tenerle in posizione? Per di qua, il lattice potrebbe mantenere la sua grande struttura, e Scott potrebbe aggiungere fotoiniziatori e altri composti al lattice per consentire la stampa 3D con luce ultravioletta (UV).

"Quando si progetta l'impalcatura, la cosa più grande di cui ti devi preoccupare è la stabilità di tutto, " ha detto Scott. "Ci sono voluti un sacco di lettura, anche cose di base come imparare perché i colloidi sono stabili e come funziona la stabilità colloidale, ma è stata una sfida davvero divertente".

Sviluppo di nuovi processi nell'ingegneria

Mentre Scott armeggiava con il lattice liquido, Meenakshisundaram ha dovuto capire come stampare correttamente la resina. I ricercatori hanno scelto di utilizzare un processo chiamato fotopolimerizzazione in vasca, in cui la stampante utilizza la luce UV per polimerizzare, o indurire, una resina viscosa in una forma specifica.

Avendo bisogno di una stampante in grado di stampare funzioni ad alta risoluzione su una vasta area, Meenakshisundaram ha costruito una nuova stampante. Lui e Williams, il suo consigliere, ha avuto l'idea di scansionare la luce UV su una vasta area, e nel 2017, hanno depositato un brevetto per la stampante.

Anche con la stampante personalizzata, le particelle di lattice fluido hanno causato la dispersione al di fuori della luce UV proiettata sulla superficie della resina di lattice, che ha provocato la stampa di parti imprecise, così Meenakshisundaram escogitò una seconda idea di romanzo. Ha incorporato una fotocamera nella stampante per catturare un'immagine di ogni vasca di resina di lattice. Con il suo algoritmo personalizzato, la macchina è in grado di "vedere" l'interazione della luce UV sulla superficie della resina e quindi regolare automaticamente i parametri di stampa per correggere la dispersione della resina per polimerizzare solo la forma desiderata.

"La stampante per la scansione di grandi aree era un'idea che avevo, e Viswanath lo trasformò in realtà in breve tempo, "Ha detto Williams. "Poi Viswanath ha avuto l'idea di incorporare una telecamera, osservando come la luce interagisce con la materia, e aggiornando i parametri di stampa in base al suo codice. Questo è quello che vogliamo dal nostro dottorato. studenti:Forniamo una visione, e lo realizzano e crescono oltre come ricercatore indipendente."

Meenakshisundaram e Scott hanno scoperto che le loro parti finali in lattice stampate in 3D mostravano forti proprietà meccaniche in una matrice nota come rete polimerica semi-interpenetrante, che non era stato documentato per i lattici elastomerici nella letteratura precedente.

"Una rete polimerica che si compenetra è come catturare un pesce in una rete, "Meenakshisundaram ha detto. "Il patibolo gli dà una forma. Una volta messo in forno, l'acqua evaporerà, e le catene polimeriche strettamente arrotolate possono rilassarsi, diffusione o flusso, e si compenetrano nella rete».

Un approccio dalle molecole alla produzione

I nuovi progressi sia nello sviluppo che nell'elaborazione dei materiali evidenziano l'ambiente interdisciplinare promosso tra i due gruppi.

Sia Long che Williams hanno accreditato l'esperienza della loro controparte per aver reso possibile la svolta collettiva.

"La mia filosofia è che questi tipi di innovazioni sono realizzabili solo quando collabori con persone molto diverse da te, "Ha detto a lungo.

I due professori hanno affermato che il lattice stampato in 3D fornisce il quadro concettuale per la stampa di una gamma di materiali senza precedenti, dalla plastica rigida alle gomme morbide, che fino ad ora non erano stampabili.

"Quando ero uno studente laureato che lavorava su questa tecnologia, eravamo entusiasti di ottenere prestazioni uniche dalle forme che potevamo creare, ma il presupposto di fondo era che dovevamo accontentarci di materiali molto poveri, "Ha detto Williams. "Ciò che è stato così eccitante in questa scoperta con il gruppo di Tim è essere in grado di spingere il confine di quello che pensavamo fosse il limite delle prestazioni di un materiale stampato".