双组份快速固化硅胶油墨为3D打印打开新大门

2024年12月4日，南极熊获悉，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的研究人员开发了一种新型3D打印技术，能够制造出更大、更高、更薄且孔隙率更高的坚固硅胶结构。

△研究成果已发表在《先进材料技术》期刊上，题目为“新型快速固化硅胶油墨，用于单步、无支撑3D打印高大、悬垂、高纵横比结构”（传送门）

该团队利用了一种双组分的“快速固化”硅胶基墨水，这种墨水在打印前混合并在室温下迅速凝固。这种技术允许延长打印时间、简化制造流程，并确保即使在复杂形状和配置中，结构也不会发生坍塌或下垂。材料工程部（MED）博士后、论文主要作者Anna Güell Izard表示：“虽然存在其它硅胶直接墨水书写技术，但我们的方法是最简单且最可靠的解决方案。无需额外的担忧，您可以直接进行打印。

△双组份快速固化硅胶油墨可以产生以前无法实现的结构，例如高大、悬垂或薄壁结构

让硅胶打印变得简单

硅胶是一种多功能聚合物，以柔韧性、弹性和生物相容性而受到青睐，适用于防护材料、生物医学设备（包括植入物和假肢）、柔性电子产品、软机器人等多种应用。3D打印，作为一种增材制造技术，通过制造传统方法无法实现的空心或多孔结构，进一步扩展了硅胶的应用范围。

直接墨水书写（DIW）技术，涉及将材料通过喷嘴挤出并逐层选择性沉积，特别适合于打印高粘度材料，如硅胶。然而，由于硅胶基墨水自支撑能力较差，传统DIW技术仅限于制造简单的平面设计，难以实现高大、悬垂或薄壁结构的打印。

△使用直接墨水书写3D打印硅胶结构的局限性

为了成功打印，必须确保机器精度、喷嘴质量和墨水特性均达到最佳状态，同时保持结构在打印和热固化过程中的稳定性。此外，打印过程需要在墨水开始凝固前完成，这增加了挤出的难度。针对这些挑战，该团队开发了新型油墨配方和改进的打印工艺。

研究人员开发的新型硅胶油墨包含催化剂（加速化学反应的物质）和交联剂（连接分子的化合物）。这些组分在挤出过程中通过在线混合逐渐混合，从而实现结构的粘合。这种技术类似于双组分环氧树脂的快速固化（FC）油墨，其中交联剂和催化剂在挤出前是分开的，确保它们在流经喷嘴时不断混合。

△用于打印FC油墨的直列混合器系统示意图。图表和曲线图展示了快速固化部分A与部分B的模量变化及其与基线油墨的对比，并显示了混合油墨在室温下的模量随时间的变化

双组分环氧树脂的快速固化（FC）油墨

这种新型硅胶油墨中的化学物质在挤出后迅速凝结并立即固化，消除了对打印时间的限制，并且无需额外步骤硬化或固化材料。

Güell Izard指出：“由于油墨是分开的，您无需担心打印时间，因为它不会在注射器中凝固。它还更坚固，因为各层在打印过程中会凝结，确保结构不会发生下垂。”

FC配方允许研究人员控制从混合到打印再到固化的整个过程，从而提高自支撑能力并改善形状保持性。与单组分基线相比，双组份FC墨水具有相似的流变性（流动特性），并成功打印了两种常见形状的木桩，形状保持性更好，下垂程度减少了约一半。Güell Izard和她的团队对这些结果感到非常兴奋，成功打印出了以前用硅胶难以实现的结构，例如高耸细长的结构、无支撑的锐利悬垂结构和基于壳的晶格结构，如螺旋状体和立方八面体，孔隙率高达90%。

△使用基线墨水和快速固化（FC）墨水在不同条件下打印的结构，包括细长SC木桩、悬垂结构、立方八面体和螺旋晶格，所有图像均为后固化状态

她表示：“这些美丽的立方八面体和悬垂结构与打印时保持一致，壁面非常坚固，而使用基线墨水打印的结构则会坍塌。这让我们相信我们发现了一些重要的东西，所有这些神奇的化学物质都在发挥作用。”

未来，研究人员将进一步测试这项技术的极限，并通过调整双组分系统的参数来精确控制墨水的特性。例如，团队指出凝胶时间取决于催化剂的量，因此化学物质可能在确定结构的高度和悬垂特征方面扮演关键角色。另外，团队还希望将这一概念扩展到其它材料，用于解锁更多新的结构可能性。