Pesquisadores da Virginia Tech descobriram um novo processo para imprimir borracha látex em 3D, desbloqueando a capacidade de imprimir uma variedade de materiais elásticos com formas geométricas complexas.

Látex, comumente conhecido como o material em luvas ou tinta, refere-se a um grupo de polímeros - longo, repetindo cadeias de moléculas - enroladas dentro de nanopartículas dispersas em água. Látex impresso em 3-D e outros materiais semelhantes de borracha chamados elastômeros podem ser usados ​​para uma variedade de aplicações, incluindo robótica leve, dispositivos médicos, ou amortecedores.

O látex impresso em 3-D foi documentado apenas algumas vezes na literatura científica. Nenhum dos exemplos anteriores chega perto das propriedades mecânicas do látex impresso por uma equipe interdisciplinar afiliada ao Macromolecules Innovation Institute (MII), a Faculdade de Ciências, e a Faculdade de Engenharia.

Por meio de inovações nas disciplinas de química e engenharia mecânica, a equipe superou algumas limitações de longa data da impressão 3-D, também conhecido como manufatura aditiva. Os pesquisadores modificaram quimicamente o látex líquido para torná-los imprimíveis e construíram uma impressora 3-D personalizada com um sistema integrado de visão por computador para imprimir com precisão, recursos de alta resolução deste material de alto desempenho.

"Este projeto representa o exemplo perfeito de pesquisa interdisciplinar, "disse Timothy Long, professor de química e co-investigador principal deste projeto junto com Christopher Williams, o L.S. Randolph Professor de engenharia mecânica e diretor interino do MII. "Nenhum de nossos laboratórios seria capaz de realizar isso sem o outro."

Este projeto é uma colaboração conjunta entre Virginia Tech e Michelin North America por meio de um prêmio National Science Foundation alinhado com o programa Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry, que apóia a pesquisa em equipe entre a academia e a indústria. Os detalhes de seus resultados iniciais são detalhados em um artigo de jornal publicado em Materiais e interfaces aplicados ACS .

Desenvolvimento de novos materiais na ciência

Após tentativas malsucedidas de sintetizar um material que forneceria o peso molecular ideal e as propriedades mecânicas, Phil Scott, um estudante de ciência macromolecular e engenharia do quinto ano no Grupo de Pesquisa Longa, voltado para látex líquido comercial.

Em última análise, os pesquisadores queriam este material em uma forma impressa 3D sólida, mas Scott primeiro precisava aumentar a composição química para permitir a impressão.

Scott encontrou um desafio fundamental:o látex líquido é extremamente frágil e difícil de ser alterado pelos químicos.

"Latexes estão em um estado Zen, "disse Viswanath Meenakshisundaram, um quinto ano de doutorado em engenharia mecânica. estudante de Design, Pesquisar, e Education for Additive Manufacturing Systems Lab, que colaborou com Scott. "Se você adicionar algo a ele, ele perderá completamente sua estabilidade e quebrará. "

Então, os químicos tiveram uma nova ideia:E se Scott construísse um andaime, semelhantes aos usados ​​na construção civil, em torno das partículas de látex para mantê-las no lugar? Por aqui, o látex poderia manter sua ótima estrutura, e Scott poderia adicionar fotoiniciadores e outros compostos ao látex para permitir a impressão 3-D com luz ultravioleta (UV).

"Ao projetar o andaime, a maior coisa com que você precisa se preocupar é a estabilidade de tudo, "Scott disse." Demorou muita leitura, até coisas tão básicas como aprender por que os colóides são estáveis ​​e como funciona a estabilidade coloidal, mas foi um desafio muito divertido. "

Novo desenvolvimento de processamento em engenharia

Enquanto Scott mexia no látex líquido, Meenakshisundaram teve que descobrir como imprimir corretamente a resina. Os pesquisadores optaram por usar um processo chamado fotopolimerização em cuba, em que a impressora usa luz ultravioleta para curar, ou endurecer, uma resina viscosa em uma forma específica.

Precisando de uma impressora capaz de imprimir recursos de alta resolução em uma grande área, Meenakshisundaram construiu uma nova impressora. Ele e Williams, seu conselheiro, teve a ideia de digitalizar a luz ultravioleta em uma grande área, e em 2017, eles registraram uma patente para a impressora.

Mesmo com a impressora personalizada, as partículas de látex fluido causaram o espalhamento fora da luz UV projetada na superfície da resina de látex, o que resultou na impressão de peças imprecisas, então Meenakshisundaram concebeu uma segunda ideia nova. Ele embutiu uma câmera na impressora para capturar uma imagem de cada barril de resina de látex. Com seu algoritmo personalizado, a máquina é capaz de "ver" a interação da luz ultravioleta na superfície da resina e, a seguir, ajustar automaticamente os parâmetros de impressão para corrigir a dispersão da resina para curar apenas a forma pretendida.

"A impressora de digitalização de grandes áreas foi um conceito que eu tive, e Viswanath o tornou realidade em pouco tempo, "Williams disse." Então Viswanath teve a ideia de incorporar uma câmera, observando como a luz interage com o material, e atualizar os parâmetros de impressão com base em seu código. É isso que queremos do nosso doutorado. alunos:Oferecemos uma visão, e eles realizam isso e crescem além como pesquisadores independentes. "

Meenakshisundaram e Scott descobriram que suas peças finais de látex impressas em 3-D exibiam fortes propriedades mecânicas em uma matriz conhecida como uma rede de polímero semi-interpenetrante, que não havia sido documentado para látex elastomérico na literatura anterior.

"Uma rede de polímero interpenetrante é como capturar peixes em uma rede, "Meenakshisundaram disse." O cadafalso dá uma forma. Depois de colocar isso no forno, a água vai evaporar, e as cadeias de polímero fortemente enroladas podem relaxar, espalhar ou fluir, e se interpenetrar na rede. "

Uma abordagem de moléculas para fabricação

Os novos avanços no desenvolvimento e processamento de materiais destacam o ambiente interdisciplinar promovido entre os dois grupos.

Long e Williams creditaram a experiência de sua contraparte por tornar possível o avanço coletivo.

"Minha filosofia é que esses tipos de inovação só são alcançáveis ​​quando você faz parceria com pessoas que são muito diferentes de você, "Long disse.

Os dois professores disseram que o látex impresso em 3-D fornece a estrutura conceitual para a impressão de uma variedade de materiais sem precedentes, de plásticos rígidos a borrachas macias, que não podiam ser impressos até agora.

"Quando eu era um estudante de graduação trabalhando com essa tecnologia, estávamos ansiosos para obter um desempenho único das formas que poderíamos criar, mas a suposição subjacente era que tínhamos que nos contentar com materiais muito pobres, "Williams disse." O que tem sido tão empolgante sobre esta descoberta com o grupo de Tim é ser capaz de empurrar os limites do que presumimos ser o limite de desempenho de um material impresso. "