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。基于這個原理，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