最具伸縮性和可UV固化3D打印彈性體（轉載）
發布日期：2017-03-27
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【引言】
彈性體作為一種通用材料，以其優異的材料性質（彈性，回復性以及電絕緣和熱絕緣特性等）一直處于材料研究的前沿，并已廣泛的應用于各種領域中。 尤其是像那些對材料柔性和可變形性有嚴苛需求的應用， 例如軟體機器人，柔性電子產品和智能生物醫學設備等，更需要像彈性體這樣的材料，以便全方位地與人類建立安全順暢的互動。
然而，迄今為止，最廣泛使用的硅橡膠基彈性體往往需要熱固化工藝，這就使其制造限制在用傳統的切割，成型和鑄造等方法，同時也限制了其設計自由度和幾何復雜性。近幾年來，基于紫外（UV）固化的3D打印技術逐漸成熟。該技術可以通過圖案化UV光將液體聚合物樹脂固化為3D物體。考慮到設計的豐富性和制造的靈活性，研究人員嘗試使用3D打印技術來制造3D彈性體。 然而，大多數市售可UV打印的液體聚合物樹脂打印出的3D彈性體伸縮性能不盡如人意，往往在伸縮量小于200％（原始長度的兩倍）的長度時斷裂，這大大限制了它的實用性。
【成果簡介】
新加坡科技設計大學（Singapore University of Technology and Desngin, SUTD）數字制造和設計中心（Digital Manufacturing and Design Center, DManD）葛锜教授（通訊作者），和以色列耶路撒冷希伯來大學（Hebrew University of Jerusalem， HUJI）Shlomo Magdassi教授（通訊作者）等人合作共同研究開發了一系列高度可拉伸和可UV固化（SUV）彈性體。 這種新型彈性體的拉伸程度可高達1100%，是現有各種市售彈性體的斷裂伸長率的五倍以上，并且適用于基于UV固化的3D打印技術。這種SUV彈性體可直接使用高分辨率3D打印機打印出可顯示出極大變形的復雜3D晶格或中空結構 （各向同性桁架，負泊松比結構，氣球，氣動驅動器等。同時，SUV彈性體還保持良好的機械重復性，這使得它們有潛力成為制造柔性電子器件的良好材料。 上述研究成果以“Highly Stretchable and UV Curable Elastomers for Digital Light Processing Based 3D Printing” 為題發表在2017年2月7日的Advanced Materials上。
【圖文導讀】
圖1 高伸縮性可紫外 （SUV）固化彈性體
a）比較不可UV固化的硅橡膠，市售的可UV固化彈性體和本文的SUV彈性體之間的斷裂伸長率。
b）3D打印的高度可變形各向同性桁架：
（i）等距透視圖，（ii）未變形形狀，（iii）壓縮試驗中的變形形狀。
c） 3D打印的可高度變形負泊松比結構：
（i）前視圖，（ii）未變形形狀，（iii）壓縮試驗中的變形形狀。
d）3D打印的可高度變形氣球：
（i）未變形形狀，（ii）膨脹三倍后的形狀，（iii）FEA模擬表明在徑向方向上，氣囊壁被壓縮約160%。
比例尺為10mm。
圖2 SUV彈性體的材料性能
a）各種不同配比的SUV彈性體的高拉伸應力 - 應變行為。
b）透明SUV彈性體樣品拉伸約10倍的快照。
c） SUV彈性體和TangoPlus之間的拉伸性，楊氏模量和韌性的比較。
d）SUV彈性體和其他市售彈性體之間的透光率的比較。
圖3 3D打印柔性氣動執行器
a–d) 在加壓空氣下表現出大的變形彎曲的柔性執行器的快照和FEA模擬。
e）FEA模擬揭示了大的局部變形。
f） 3D打印的夾具。
g）3D打印的夾具在加壓空氣下打開。
h）3D打印的夾具抓取物體的過程。
圖4 可用于電開關的導電布基球
a) 一個完全涂覆有銀納米顆粒的布基球。
b) 壓縮布基球后LED燈亮起。
c) 一個選擇性地涂覆有銀納米顆粒的布基球。
d) 在壓縮選擇性涂覆的布基球后，LED燈點亮。
e) 有限元模擬。
f) 在2000次循環壓縮試驗下布基球的導電率。
比例尺為10 mm。
【小結】
新的SUV彈性體使我們能夠在一小時內打印復雜的幾何結構和設備，如3D軟體機器人夾具。與傳統的成型和鑄造方法相比，使用基于UV固化的3D打印SUV彈性體將顯著減少制造時間， 從幾小時，甚至幾天壓縮到幾分鐘或幾小時。因為傳統方法中復雜和耗時的制造步驟，例如模具建造，模制/脫模和部件組裝，將被簡單易操作的3D打印步驟替換。同時，SUV彈性體不僅能夠維持大的彈性變形，而且可保持良好的機械重復性，這使得它們有潛力成為制造柔性電子器件的良好材料。總的來說， SUV彈性體的開發和基于UV固化的3D打印技術將顯著提高制造柔性和可變形的3D結構和設備的能力，以便更好的服務于軟體啟動器，軟體機器人，柔性電子，聲學超材料以及其他各個方面的應用。
文獻鏈接： Highly Stretchable and UV Curable Elastomers for Digital Light Processing Based 3D Printing(Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201606000)
轉載自材料人，新加坡科技設計大學張彪博士投稿，材料牛編輯曉fire編輯整理。
