Los investigadores de Virginia Tech han descubierto un proceso novedoso para imprimir caucho de látex en 3D, desbloqueando la capacidad de imprimir una variedad de materiales elásticos con formas geométricas complejas.

Látex, comúnmente conocido como el material en guantes o pintura, se refiere a un grupo de polímeros:largo, cadenas repetidas de moléculas, enrolladas dentro de nanopartículas dispersas en agua. El látex impreso en 3-D y otros materiales similarmente gomosos llamados elastómeros podrían usarse para una variedad de aplicaciones, incluida la robótica blanda, dispositivos médicos, o amortiguadores.

El látex impreso en 3-D se ha documentado solo un puñado de veces en la literatura científica. Ninguno de los ejemplos anteriores se acerca a las propiedades mecánicas del látex impreso por un equipo interdisciplinario afiliado al Instituto de Innovación de Macromoléculas (MII), la Facultad de Ciencias, y la Facultad de Ingeniería.

A través de innovaciones novedosas en las disciplinas de la ingeniería química y mecánica, el equipo superó algunas limitaciones de larga data de la impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva. Los investigadores modificaron químicamente látex líquidos para hacerlos imprimibles y construyeron una impresora 3D personalizada con un sistema de visión por computadora integrado para imprimir con precisión. características de alta resolución de este material de alto rendimiento.

"Este proyecto representa el ejemplo por excelencia de investigación interdisciplinaria, "dijo Timothy Long, profesor de química y co-investigador principal de este proyecto junto con Christopher Williams, el L.S. Catedrático Randolph de ingeniería mecánica y director interino del MII. "Ninguno de nuestros laboratorios podría lograr esto sin el otro".

Este proyecto es una colaboración conjunta entre Virginia Tech y Michelin North America a través de un premio de la National Science Foundation alineado con el programa Grant Opportunities for Academic Liaison with Industry, que apoya la investigación conjunta entre la academia y la industria. Los detalles de sus resultados iniciales se detallan en un artículo de revista publicado en Interfaces y materiales aplicados ACS .

Desarrollo de nuevos materiales en la ciencia

Después de intentos fallidos de sintetizar un material que proporcionara el peso molecular y las propiedades mecánicas ideales, Phil Scott, estudiante de quinto año de ciencias macromoleculares e ingeniería en el Long Research Group, recurrió a látex líquidos comerciales.

En última instancia, los investigadores querían este material en una forma sólida impresa en 3-D, pero Scott primero necesitaba aumentar la composición química para permitir que se imprimiera.

Scott se encontró con un desafío fundamental:el látex líquido es extremadamente frágil y difícil de alterar para los químicos.

"Los látex están en estado zen, "dijo Viswanath Meenakshisundaram, un doctorado en ingeniería mecánica de quinto año. estudiante en el diseño, Investigar, y el Laboratorio de Educación para Sistemas de Fabricación Aditiva que colaboró ​​con Scott. "Si le agregas algo, perderá completamente su estabilidad y se estrellará ".

Luego, a los químicos se les ocurrió una nueva idea:¿y si Scott construyera un andamio, similares a los utilizados en la construcción de edificios, alrededor de las partículas de látex para mantenerlas en su lugar? De esta manera, el látex pudo mantener su gran estructura, y Scott podría agregar fotoiniciadores y otros compuestos al látex para permitir la impresión 3D con luz ultravioleta (UV).

"Al diseñar el andamio, lo más importante de lo que tienes que preocuparte es la estabilidad de todo, ", Dijo Scott." Tomó mucha lectura, incluso cosas tan básicas como aprender por qué los coloides son estables y cómo funciona la estabilidad coloidal, pero fue un desafío realmente divertido ".

Desarrollo de procesos novedosos en ingeniería

Mientras Scott jugaba con el látex líquido, Meenakshisundaram tuvo que descubrir cómo imprimir correctamente la resina. Los investigadores optaron por utilizar un proceso llamado fotopolimerización en cubeta, en el que la impresora utiliza luz ultravioleta para curar, o endurecerse, una resina viscosa en una forma específica.

Necesita una impresora capaz de imprimir funciones de alta resolución en un área grande, Meenakshisundaram construyó una nueva impresora. Él y Williams, su consejero, se le ocurrió la idea de escanear la luz ultravioleta en un área grande, y en 2017, presentaron una patente para la impresora.

Incluso con la impresora personalizada, las partículas de látex fluido provocaron la dispersión fuera de la luz ultravioleta proyectada en la superficie de la resina de látex, lo que resultó en la impresión de piezas inexactas, entonces Meenakshisundaram ideó una segunda idea novedosa. Insertó una cámara en la impresora para capturar una imagen de cada cubeta de resina de látex. Con su algoritmo personalizado, la máquina puede "ver" la interacción de la luz ultravioleta en la superficie de la resina y luego ajustar automáticamente los parámetros de impresión para corregir la dispersión de la resina para curar la forma deseada.

"La impresora de escaneo de área grande era un concepto que tenía, y Viswanath lo hizo realidad en poco tiempo, ", Dijo Williams." Entonces a Viswanath se le ocurrió la idea de incrustar una cámara, observar cómo la luz interactúa con el material, y actualizar los parámetros de impresión en base a su código. Eso es lo que queremos de nuestro Ph.D. estudiantes:Aportamos una visión, y logran eso y crecen más allá como investigadores independientes ".

Meenakshisundaram y Scott descubrieron que sus piezas finales de látex impresas en 3D exhibían fuertes propiedades mecánicas en una matriz conocida como red de polímero semi-interpenetrante. que no se había documentado para los látex elastoméricos en la literatura anterior.

"Una red de polímeros que se interpenetra es como pescar en una red, "Dijo Meenakshisundaram." El andamio le da una forma. Una vez que lo pongas en el horno, el agua se evaporará, y las cadenas de polímero fuertemente enrolladas pueden relajarse, esparcirse o fluir, e interpenetrarse en la red ".

Un enfoque de moléculas a fabricación

Los novedosos avances tanto en el desarrollo como en el procesamiento de materiales destacan el entorno interdisciplinario fomentado entre los dos grupos.

Long y Williams dieron crédito a la experiencia de su contraparte por hacer posible el avance colectivo.

"Mi filosofía es que este tipo de innovaciones solo se pueden lograr cuando se asocia con personas que son muy diferentes a usted, "Dijo Long.

Los dos profesores dijeron que el látex impreso en 3D proporciona el marco conceptual para imprimir una variedad de materiales sin precedentes, desde plásticos rígidos hasta gomas blandas. que no se han podido imprimir hasta ahora.

"Cuando era un estudiante de posgrado que trabajaba en esta tecnología, estábamos emocionados de obtener un rendimiento único de las formas que podíamos crear, pero la suposición subyacente era que teníamos que conformarnos con materiales muy pobres, "Dijo Williams." Lo que ha sido tan emocionante acerca de este descubrimiento con el grupo de Tim es poder traspasar los límites de lo que asumimos que era el límite del rendimiento de un material impreso ".