2024第5篇3D打印Nature！浙江大学重要突破！

3D打印技术参考注意到，2024年3D打印技术领域第5篇Nature文章于7月3日发表。

来自浙江大学和上海交通大学的研究人员发表了题为“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness”的文章。该研究聚焦3D打印光敏聚合物的机械性能远不及传统加工技术所能达到水平的特点，认为这主要是因为打印要求限制了分子设计所导致的，进而开发了一种新的可光固化打印树脂化学技术，该技术可生成一种拉伸强度为94.6MPa、韧性为310.4MJm−3的弹性体，这两项指标均远超当前其他3D打印弹性体。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07588-6

弹性体的柔韧性和弹性使其成为汽车、建筑和消费品等众多行业的关键材料。此外，它们在微流体、软机器人、可穿戴电子和医疗设备等新兴领域也日益受到关注。对于任何应用而言，足够的机械强度都是前提。因此，解决柔软度与强度之间看似矛盾的特性一直是持续追求的目标。天然蜘蛛丝以其卓越的强度为设计合成软材料提供了灵感。尽管其独特的超结构（β片层）难以复制，但设计层次结构的广泛原则为制造机械强度高的弹性体提供了有用的启示。

然而，上述设计原则不能直接应用于基于光固化数字光处理（DLP）的3D打印。DLP打印需要快速光固化以实现必要的快速凝胶化，因此光敏树脂通常包含大量的多功能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，这严重限制了分子设计自由度以实现优越的机械强度。此外，快速固化导致网络形成不均匀和残余应力，也对机械性能产生不利影响。在此，研究人员展示了利用动态共价化学来克服打印性能冲突的方法。

可光固化3D打印弹性体的化学设计

化学设计+合成步骤+结构确认

为了实现新树脂的光固化，研究团队进行了多方面的努力，主要集中在化学设计、合成步骤以及结构确认等方面。成功的关键在于设计了一种含有动态受阻尿素的二甲基丙烯酸酯（DLP）前驱体，该前驱体的主链中含有动态受阻尿素，同时在两侧悬挂了两个羧酸基团。这种设计使得该前驱体在光固化过程中能够展现出独特的性能，如动态交联和自修复能力等。

前驱体的获得主要包括三个步骤：引入异氰酸酯端基，生成带有两个悬挂羧酸基团的异氰酸酯封端预聚物，将上述得到的物质进行反应得到DLP前驱体。

为了确保合成的DLP前驱体具有预期的结构，研究团队采用了多种分析手段进行结构确认，包括质子核磁共振和傅里叶变换红外光谱。

弹性体的机械性能和背后的强化增韧机制

机械穿刺气球，验证高强韧性

研究人员在验证新树脂能够实现高强韧材料制造的过程中，进行了多项详尽的实验和测试。实验中使用新树脂3D打印了1毫米厚度的气球，实验设计包括了对气球在不同状态下的性能测试，如非充气状态、充气状态以及在高压力下的表现，重点突出其高拉伸性、强度和抗穿刺能力。

实验发现，气球在充气至其原始尺寸的2.5倍后，仍能保持良好的形态和结构完整性。实验通过模拟Mises力约为40N的针头对气球进行“机械穿刺”，结果显示，即使在充气状态下，气球也能承受这种高强度的机械应力而不破裂，展现了其出色的抗穿刺性能。

a.打印后的物体及其在后处理过程中的尺寸变化；b.3D 打印气球的非充气和充气状态及其抗穿刺性c.机械穿刺力的有限元建模。d.3D 打印气动执行器可举起 200克的重量e.3D打印气动夹持器，用尖刺抓住铜球（70 克）

为了进一步验证其极端条件下的适用性，研究者们设计了一个气动软致动器实验。该致动器能够在高压空气下稳定工作，不仅能够承载重物，还能够在高压力充气状态下，安全地抓取表面带有尖锐突起的铜球，这进一步证明了其卓越的抗穿刺能力和结构强度。