Des chercheurs de Virginia Tech ont découvert un nouveau procédé pour imprimer en 3D du caoutchouc latex, ouvrant la possibilité d'imprimer une variété de matériaux élastiques avec des formes géométriques complexes.

Latex, communément appelé le matériau des gants ou de la peinture, fait référence à un groupe de polymères—long, des chaînes de molécules répétitives enroulées à l'intérieur de nanoparticules dispersées dans l'eau. Le latex imprimé en 3D et d'autres matériaux caoutchouteux similaires appelés élastomères pourraient être utilisés pour une variété d'applications, y compris la robotique douce, Équipement médical, ou amortisseurs.

Le latex imprimé en 3D n'a été documenté que quelques fois dans la littérature scientifique. Aucun des exemples précédents ne se rapproche des propriétés mécaniques du latex imprimé par une équipe interdisciplinaire affiliée au Macromolecules Innovation Institute (MII), le Collège des sciences, et le Collège d'ingénieurs.

Grâce à de nouvelles innovations dans les disciplines de la chimie et du génie mécanique, l'équipe a surmonté certaines limitations de longue date de l'impression 3D, également connu sous le nom de fabrication additive. Les chercheurs ont modifié chimiquement les latex liquides pour les rendre imprimables et ont construit une imprimante 3D personnalisée avec un système de vision par ordinateur intégré pour imprimer avec précision, caractéristiques haute résolution de ce matériau haute performance.

« Ce projet représente l'exemple par excellence de la recherche interdisciplinaire, " dit Timothée Long, professeur de chimie et co-chercheur principal sur ce projet avec Christopher Williams, le L.S. Randolph Professeur de génie mécanique et directeur par intérim du MII. "Aucun de nos laboratoires ne serait capable d'accomplir cela sans l'autre."

Ce projet est une collaboration entre Virginia Tech et Michelin North America via un prix de la National Science Foundation aligné sur le programme Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry, qui soutient la recherche en équipe entre les universités et l'industrie. Les détails de leurs premiers résultats sont détaillés dans un article de journal publié dans Matériaux et interfaces appliqués ACS .

Développement de nouveaux matériaux en science

Après des tentatives infructueuses de synthétiser un matériau qui fournirait le poids moléculaire et les propriétés mécaniques idéaux, Phil Scott, étudiante en cinquième année de sciences macromoléculaires et ingénieur dans le Long Research Group, se sont tournés vers les latex liquides du commerce.

Les chercheurs voulaient finalement ce matériau sous une forme imprimée en 3D solide, mais Scott avait d'abord besoin d'augmenter la composition chimique pour lui permettre d'imprimer.

Scott s'est heurté à un défi fondamental :le latex liquide est extrêmement fragile et difficile à modifier pour les chimistes.

"Les latex sont dans un état zen, " dit Viswanath Meenakshisundaram, un doctorat en génie mécanique de cinquième année. étudiant en Design, Recherche, et Education for Additive Manufacturing Systems Lab qui a collaboré avec Scott. "Si vous y ajoutez quelque chose, il perdra complètement sa stabilité et s'effondrera."

Puis, les chimistes ont eu une nouvelle idée :et si Scott construisait un échafaudage, similaires à ceux utilisés dans la construction de bâtiments, autour des particules de latex pour les maintenir en place ? Par ici, le latex pourrait maintenir sa grande structure, et Scott pourrait ajouter des photoinitiateurs et d'autres composés au latex pour permettre l'impression 3D avec la lumière ultraviolette (UV).

"Lors de la conception de l'échafaudage, la plus grande chose dont vous devez vous soucier est la stabilité de tout, " a déclaré Scott. " Il a fallu beaucoup de lecture, même des choses aussi basiques que d'apprendre pourquoi les colloïdes sont stables et comment fonctionne la stabilité colloïdale, mais c'était un défi vraiment amusant."

Développement de nouveaux procédés en ingénierie

Pendant que Scott bricolait le latex liquide, Meenakshisundaram a dû trouver comment imprimer correctement la résine. Les chercheurs ont choisi d'utiliser un procédé appelé photopolymérisation en cuve, dans lequel l'imprimante utilise la lumière UV pour durcir, ou durcir, une résine visqueuse dans une forme spécifique.

Besoin d'une imprimante capable d'imprimer des caractéristiques haute résolution sur une grande surface, Meenakshisundaram a construit une nouvelle imprimante. Lui et Williams, son conseiller, a eu l'idée de scanner la lumière UV sur une grande surface, et en 2017, ils ont déposé un brevet pour l'imprimante.

Même avec l'imprimante personnalisée, les particules de latex fluides ont provoqué une diffusion à l'extérieur de la lumière UV projetée sur la surface de résine de latex, ce qui a entraîné l'impression de pièces inexactes, alors Meenakshisundaram a conçu une deuxième idée de roman. Il a intégré une caméra sur l'imprimante pour capturer une image de chaque cuve de résine de latex. Avec son algorithme personnalisé, la machine est capable de "voir" l'interaction de la lumière UV sur la surface de la résine, puis d'ajuster automatiquement les paramètres d'impression pour corriger la dispersion de la résine afin de durcir uniquement la forme souhaitée.

« L'imprimante à numérisation grande surface était un concept que j'avais, et Viswanath en fit une réalité en peu de temps, " a déclaré Williams. " Ensuite, Viswanath a eu l'idée d'intégrer une caméra, observer comment la lumière interagit avec la matière, et mettre à jour les paramètres d'impression en fonction de son code. C'est ce que nous voulons de notre doctorat. étudiants :Nous offrons une vision, et ils accomplissent cela et se développent au-delà en tant que chercheur indépendant. »

Meenakshisundaram et Scott ont découvert que leurs pièces finales en latex imprimées en 3D présentaient de fortes propriétés mécaniques dans une matrice connue sous le nom de réseau polymère semi-interpénétré, ce qui n'avait pas été documenté pour les latex élastomères dans la littérature antérieure.

"Un réseau polymère interpénétré, c'est comme attraper du poisson dans un filet, " dit Meenakshisundaram. " L'échafaudage lui donne une forme. Une fois que vous l'avez mis au four, l'eau va s'évaporer, et les chaînes polymères étroitement enroulées peuvent se détendre, se répandre ou couler, et s'interpénétrer dans le filet."

Une approche de la molécule à la fabrication

Les nouvelles avancées dans le développement et le traitement des matériaux mettent en évidence l'environnement interdisciplinaire favorisé entre les deux groupes.

Long et Williams ont tous deux crédité l'expertise de leur homologue pour avoir rendu possible la percée collective.

"Ma philosophie est que ces types d'innovations ne sont réalisables que lorsque vous vous associez à des personnes très différentes de vous, " dit Long.

Les deux professeurs ont déclaré que le latex imprimé en 3D fournit le cadre conceptuel pour l'impression d'une gamme de matériaux sans précédent, des plastiques rigides aux caoutchoucs souples, qui n'étaient pas imprimables jusqu'à présent.

"Quand j'étais étudiant diplômé travaillant sur cette technologie, nous étions ravis d'obtenir des performances uniques des formes que nous pouvions créer, mais l'hypothèse sous-jacente était que nous devions nous contenter de matériaux de très mauvaise qualité, " a déclaré Williams. "Ce qui a été si excitant dans cette découverte avec le groupe de Tim, c'est de pouvoir repousser les limites de ce que nous supposions être la limite de la performance d'un document imprimé."