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研究员开发出产生强大3D打印部件的混合PDMS弹性体

导读: 近日,来自宾夕法尼亚州立大学的研究人员已经成功使用PDMS弹性体混合物3D打印复杂几何形状,各种常见的硅基有机聚合物。3D打印的PDMS具有优异的拉伸强度,可用于模塑或浇注PDMS。

近日,来自宾夕法尼亚州立大学的研究人员已经成功使用PDMS弹性体混合物3D打印复杂几何形状,各种常见的硅基有机聚合物。3D打印的PDMS具有优异的拉伸强度,可用于模塑或浇注PDMS。

研究员开发出产生强大3D打印部件的混合PDMS弹性体

从一般意义上讲,3D打印区别于铸造和模制上的最大优点是可以实现复杂的形状,如形成具有复杂的内部和外部几何形状的物体,这些形状不能通过将液体材料倒入模具中来复制。

然而,通过对增材制造工艺进行一些调整,由给定材料制成的3D打印部件可以比由相同材料制成的传统制造的部件更坚固。宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员在寻求优化用于3D打印的PDMS(聚二甲基硅氧烷或硅树脂)方面刚刚取得类似的成就。它通过结合两种PDMS弹性体来实现,从而改善了机械特性和更好的生物粘附性。

有时用于制造像芯片实验设备和3D细胞培养平台等,PDMS仍然是最普通的产品:耐热硅胶刮刀等厨具。但是,虽然像刮刀这样的简单形状的物体可以用成型设备制造,但是有时像芯片实验室(lab-on-a-chip)设备这样的微小物体需要更微妙的制造方法。

模塑或铸造PDMS还有其他缺点。根据宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学及生物工程副教授Ibrahim T. Ozbolat的说法,铸造或微成型“产生的材料力学性能较弱,细胞粘附力也较弱”。这意味着研究人员经常使用细胞外蛋白如纤连蛋白,以使细胞粘附。

但这并不意味着工程师应该转向3D打印来处理他们的PDMS,因为材料并不总是具有合适的挤出特性。例如PDMS的弹性体,Sylgard 184,在3D打印中不够粘稠:它像水一样从喷嘴流出,形成水坑。那么你如何使它进行3D打印?

研究员开发出产生强大3D打印部件的混合PDMS弹性体

通过将Sylgard 184与另一种PDMS弹性体SE 1700混合,宾州州立大学的研究人员能够使混合物进行3D打印,利用材料的剪切稀化特性,在剪切应变下降低粘度的过程。Ozbolat说:“我们对打印适性进行了优化,以控制打印的原始图案的挤出和保真度。”

显示剪切变薄的材料对于3D打印来说是非常好的,因为它们的粘度波动正好适合3D打印设备:材料具有足够的粘性,可以静置在喷嘴中而不会像水一样滴落,但是在施加压力时能够整齐地从喷嘴挤出。在外面的时候它会变得更加粘稠,使它变成复杂的形状且不会塌陷。大多数材料的行为方式相反,在受到剪切压力时变得更粘稠。

宾夕法尼亚州立大学的研究不仅仅是使PDMS可打印。研究人员还希望测试打印材料的生物粘附性,看看它是否可用于细胞培养等生物学应用。一般来说,情况并非如此,因为模塑的PDMS具有光滑的表面并且也是疏水性的,使其成为坚硬的细胞材料则不太可能。但是使用3D打印的PDMS结构,研究人员可以创建不光滑的裂缝,非常适合细胞使用。

生物粘附测试涉及使用从美国国立卫生研究院获得的对包括人鼻子在内的各种身体部位进行3D打印的3D模型。鼻子可以在没有支撑结构的情况下进行3D打印,并且包括空心腔。

研究人员通过MRI扫描仪检查他们的3D打印鼻子,发现结构准确,几乎没有畸形。这要归功于在3D打印机中使用的微米尺寸的针头,其用于去除粘性材料中的任何气泡。令人兴奋的是,3D打印的PDMS鼻子也展现出有用的机械性能。Ozbolat说:“当我们比较模塑或铸造PDMS和3D打印PDMS的机械特征时,我们发现打印材料的拉伸强度要好得多。”

对于结论,相信用户都已猜到。打印的PDMS可以比模塑的PDMS更强,可用于生物应用,由导电材料制成的功能性器件和多材料结构。

此外,参与该项目的其他研究人员包括Veli Ozbolat、Madhuri Dey、Bugra Ayan、Adomas Povilianskas和Melik C. Demirel。

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