登顶《Science》：浴式硅胶3D打印技术，减小结构破坏

导读：在3D打印的各个领域中，高质量的硅胶打印一直是使用率较低的，因为打印的难度较大且应用限制比较多。然而，基于有机硅的组件是众多先进技术和日常消费品不可或缺的组成部分。有机硅弹性体因其耐热、耐湿和耐化学试剂而被广泛用于各种应用。然而，由于前体的界面行为，使用有机硅进行三维 (3D) 打印具有挑战性。

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2023-3-28 20:52 上传

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2023年3月，南极熊获悉，佛罗里达大学研究人员开发了一种有机硅 3D 打印技术，该技术可使用多种市售有机硅配方生产出精密、准确、坚固且功能强大的结构。为了达到这种性能水平，研究团队开发了一由硅油乳液制成种的支撑材料。这种材料对硅基油墨表现出的界面张力可以忽略不计，消除了通常会导致打印的硅树脂特征变形和断裂的破坏力。他们的研究内容已经发表在了顶刊《Science》上，题目为《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing》

研究人员通过使用被硅油连续相包围的密集乳液作为支持材料，用硅基材料 3D 打印出精确、独立、高度详细的物体。这种技术可以精确控制支撑材料和打印流体之间的界面张力。作者证明，他们可以打印小至4微米的特征，以及机械坚固、薄壁、精确的人体脉管系统模型。

具体研究内容
有机硅具有特别有趣的特性，包括生物相容性、耐热性、耐化学性和耐湿性。但它对3D打印提出了一些挑战：这是一种柔性材料，一旦熔化就无法重新固化，这与 FDM/FFF 中使用的细丝不同。因此，主要有两方面的打印问题：
●硅胶通常需要在不可逆硬化之前以液态打印。
●形状复杂性如何保证：如何在打印过程中结构不会倒塌？


△界面张力导致特征断裂

研究人员针对上面两个问题，设计了浴式打印工艺，其想法是通过用作为支撑材料的硅油，来沉积连续的材料层。那么，为什么选择硅胶作为支撑材料？该团队解释说：“我们决定通过开发一种由硅油制成的支撑材料来解决界面张力问题。研究推断，大多数有机硅油墨在化学与有机硅支撑材料相似，因此可以显着降低界面张力，但也有足够大的差异，可以在组合在一起进行 3D 打印时保持分离。借助 AMULIT 支持介质，能够以高分辨率打印现成的硅胶，创建直径小至 8 微米（约 0.0003 英寸）的特征。打印结构与传统模制结构一样具有弹性和耐用性。 回想一下，界面张力是破坏两种不混溶液体之间的表面所需的力。


△研究人员依靠界面张力原理

研究人员的第一个打印的人脑中的血管，这将允许神经外科医生在手术前进行训练，从更逼真的模拟中受益，或者只是为了更好地了解患者的解剖结构。他们将能够访问物理模型并触摸这些定制的血管，这些血管是通过对患者进行 3D 扫描而制成的。



结论
打印油墨和其支持材料之间界面张力会对3D打印结构造成破坏性。研究结果表明，AMULIT技术的多功能性消除了为3D应用配制专门的PDMS油墨的需要，改进了以前的硅胶打印方法。AMULIT的关键在于配制与其支持的油墨化学性质相似的支持材料，在这种情况下，PDMS油墨被打印到PDMS油的连续体中，同样的原则也可用于水性聚合物。

油墨和支撑介质之间的化学性质相似，到两种材料之间的混合不会影响打印质量。此外，乳状液之间的弱的吸引力相互作用可能会使界面的另一侧发生反应。鉴于聚合物系统的多样性和可用性，以及AMULIT支持材料配方的简单性，AMULIT方法在3D打印中的应用范围将超越硅基设备。

展望
硅基元件是许多先进技术和日常消费产品的重要组成部分从生活用品到电子、航空航天和医疗保健行业等先进技术。有机硅产品通常是通过将液态有机硅浇注或注射到模具中，并在凝固后去除铸件来制造的。制造高精度模具的成本和难度，导致产品只有几个预定的尺寸，形状和设计。从模具中去除精密的硅胶结构而不损坏也是一个障碍，在制造高度复杂结构时，会增加制造的缺陷。这项最新研究有望克服这些挑战，让先进的硅胶基技术在医疗卫生领域的发展应用成为可能，例如打印用于治疗的个性化植入物，以及为患者定植生理结构模型。