将精细颗粒的永久、坚固的模板图案应用于弹性体表面

Summary

我们提出了一种通过将细小颗粒粘附到硅胶表面来将永久性标记和图案应用于硅胶表面的方法。标记可以是可识别的设计，也可以是随机散斑图案，例如数字图像相关中使用的标记。

Abstract

为弹性复合材料开发非线性、大型变形模型是一项持续的挑战，其应用涉及软机器人、假肢和冲击缓解（如运动头盔和衬垫）。我们的研究目标是开发能够预测材料行为并生成准确仿真的模型。随着研究的进展，我们认识到通过实验捕捉表面场变形的必要性，这将使我们能够开发稳健的本构关系。

常见的光学跟踪技术，如数字图像相关 （DIC） 和网格跟踪，需要在试样表面有一个图案来跟踪和计算表面位移场。然而，大多数弹性体材料（如固化有机硅）固有的低表面能会抑制表面的永久性划痕。换句话说，在处理试样时，几乎不可能将表面跟踪图案贴在不易擦掉或弄脏的材料上。此外，大变形实验会导致原始表面图案变形、开裂或剥落。

在这里，我们提出了一种新颖的方法，即在弹性部件的反应性注塑成型之前，在模具内表面喷涂粉末标记的铸造模型。我们开发了这种简单的方法，可以在制造过程中将永久、高保真的表面图案应用于硅胶或弹性体样品。表面图案的范围可以从 DIC 中使用的随机斑点图案到详细的多色图案。这些新的、坚固的模型可以承受较大的应变循环载荷而不会褪色或开裂，并允许在实验室和工业环境中对有机硅进行简单的打标。

Introduction

在高级载荷情况下表征大变形材料往往会产生非均匀应变 1,2,3,4,5。为了准确地模拟这种非均匀应变，实验人员必须捕获表面或体积的运动学。用于获取表面或体积运动学的最常用技术称为光学跟踪技术。数字图像相关 （DIC） 和网格跟踪是文献中表面运动学中最常见的两种光学跟踪技术，两者都需要在样品表面看到图案 ^6,7。

考虑磁流变弹性体 （MRE），它由块状硅胶和悬浮在块状基体中的细铁颗粒组成。试样可以同时因边界处的经典机械载荷和被归类为非接触力的外加磁场而变形。在这种和其他类似的载荷场景中，实验者必须捕获表面运动学，因为常见载荷模式下的均匀应变假设不再有效。存在多种标记橡胶类标本表面的技术，例如简单地使用高对比度记号笔或油漆 ^2,6。实验人员还在标记标本之前对生物组织标本进行了美容粉底 ^3,5。无论哪种情况，目标都是在标本上贴上永久性和高保真标记。持久性对于防止标记在处理和循环机械测试过程中从试样表面褪色或剥落是必要的。高线分辨率或“保真度”对于准确的图像分析和变形跟踪至关重要。

在这里，我们提出了一种在制造过程中而不是在样品创建后将细颗粒粘附到样品表面，从而在硅胶样品上应用永久性、高分辨率标记的方法。在注塑成型工艺之前，将所需的图案（无论是复杂的多色设计还是 DIC 中使用的随机斑点图案）应用于模具型腔的内部（图 1）。将细小颗粒悬浮在酒精中，然后使用喷枪或类似工具涂抹。图案被应用于模具。一旦酒精蒸发，模具就关闭，未固化的热固性弹性材料被注入模具中。固化后，去除固体试样，并将图案永久嵌入表面。

图 1：将高保真模型粘附到硅胶表面的流程图方案。 我们流程的流程图或决策树。流程图中每个步骤的编号和标记对应于协议描述。 请单击此处查看此图的较大版本。

Protocol

注意：适当的个人防护装备 （PPE） 包括眼镜、实验服、N95 口罩、护耳装置和非乳胶手套。需要非乳胶手套（即丁腈橡胶），因为乳胶手套会抑制铂硅胶样品的固化过程。

1. 初步准备

1. 模具的初步准备
   1. 用肥皂和水清洁模具，让模具干燥。用异丙醇擦拭模具，然后让模具风干。
2. 模板的初步准备
   1. 用肥皂和水清洁模板，然后让模板干燥。用异丙醇擦拭模板，然后让模板自然干燥。
3. 喷枪的初步准备
   注意： 根据所使用的空气压缩机类型，可能需要护耳装置。使用空气刷时需要通风柜。
   1. 将空压机安装到气刷上，将空压机插入合适的电源插座，然后打开空压机。在通风橱内使用适当的 PPE，在空气刷中填充异丙醇，并通过多次使用异丙醇来清洁空气刷。
      注意： 每次使用后必须清洁气刷。如果使用模板，请继续执行第 2 部分。如果不使用模板（例如用于 DIC 斑点图案应用），请继续执行第 3 部分。

2. 模板模具准备

注意： 处理喷涂胶粘剂或脱模剂时，需要通风柜。

1. 将喷涂胶粘剂涂在模板上。
   1. 在装有适当 PPE 的通风橱内，将模板放在纸巾上，然后在模板上涂上一层喷雾胶。在模板上喷涂胶粘剂时，请将喷嘴与模板保持约 30 厘米的距离，并以平稳的连续运动喷涂。等待 30 秒到 60 秒，直到模板发粘但不再潮湿，然后再继续执行步骤 2.2。
      注意：只需要一次通行证;过多的粘合剂会使随后从模具中取出模板变得复杂。
2. 将模板粘附到模具上。
   1. 在装有适当 PPE 的通风橱内，将模具放在纸巾上。用干净的非乳胶手套小心地拿起模板，确保不要干扰胶粘剂，然后将模板放在模具上，使模板的胶粘剂面与模具接触。用一根手指用力划过模板，以确保与模具均匀接触，从而压平模板。
      注意：与模具的均匀接触是必要的，以避免扩散的图案边缘并保持清晰的特征。
3. 将模板胶带放在模具上。
   1. 使用油漆胶带，将模板的边缘粘在模具上。继续执行步骤 4。
      注意： 此步骤可确保模板固定在模具上，以防止模板边缘与模具分离。

3. DIC 斑点模具准备

1. 将脱模剂应用于 DIC Speckle 的模具。
   1. 在装有适当 PPE 的通风橱内，将模具放在纸巾上，模具型腔表面朝上。通过在模具上喷涂一层脱模剂，将脱模剂涂在模具上。在模具上喷涂脱模剂时，请使喷嘴与模具保持约 12 英寸的距离，并以平稳的连续运动进行喷涂。
      注意：只需要一次传递;但是，过多的脱模剂没有问题。

4. 喷枪准备

注意：处理细粉时需要通风橱和 N95 口罩。

1. 细粉悬浮液的初步制备
   1. 在装有适当 PPE 的通风橱内，准备 45 mL 异丙醇和细粉末（石墨或有色颜料）的悬浮液（图 2）。为此，使用漏斗或小勺子（ 如图 2A）所示，将大约 10 mL 的细粉放入试管中，并加入异丙醇，将试管的剩余体积填充至 45 mL 总体积。密封试管并剧烈摇晃（参见 图 2C 所得悬浮液的示例）。
      注意： 此时不要填充气刷，以免堵塞气刷喷嘴。
2. 喷涂前填充空气刷（图 2D）。
   注意： 此步骤应在使用喷枪之前立即执行。空气刷不应与空气刷容器中的粉末悬浮液一起闲置，因为空气刷会堵塞。
   1. 重新摇晃步骤 4.1 中的预混悬浮液。将悬浮液倒入喷枪容器中，直到填满喷枪容器体积的 75%。
      注意： 不要完全填充空气刷容器，因为空气刷的角度会导致溢出。如果使用模板，请继续执行第 5 部分。 如果不 使用模板，请继续执行第 6 部分。

图 2：用石墨溶液准备喷枪。 （A） 将石墨粉放入试管中;（B） 10 mL 石墨粉;（C） 异丙醇和石墨粉的溶液。（D） 使用前立即填充喷枪。 请单击此处查看此图的较大版本。

5. 用模板喷涂模具（图 3）

1. 喷涂细颗粒悬浮液
   1. 打开空气压缩机。确保压缩机气压为 1.38 至 1.72 巴 （20-25 psi）。
   2. 在通风橱中，将带有粘附模板的模具定向为略微偏离垂直的角度，以便以 90° 角喷涂。将气刷稍微对准模具侧面，以确保喷雾在模具之前或之前开始。
   3. 轻轻地将气刷扳机向后拉。一旦空气刷开始喷涂，平稳地涂抹悬浮液的第一层。将悬浮液喷涂在模板和模具上时，将喷嘴与表面保持约 30 厘米的距离，并以平滑的连续运动喷涂，如图 3C 所示。
   4. 松开空气刷触发器，观察细颗粒悬浮液是否均匀地涂抹在表面上。如果需要，在模板和模具的表面上应用额外的悬浮层。
2. 从模具中取出模板（图 4）
   1. 等到细颗粒明显干燥后再去除模板（至少 180 到 300 秒），否则悬浮液可能会弄脏。随着异丙醇的蒸发，模板的负空间似乎被细颗粒粉末填充。
   2. 从模具的顶部（较短的一端）取下油漆胶带，然后缓慢平稳地将油漆胶带向上拉。模板将与油漆工的胶带一起分离，如图 4A 所示。

图 3：石墨溶液的喷枪应用。 （A） 协议第 2 节中准备好的模具。（B） 喷涂前带有方形圆孔阵列的模板。（C） 用溶液喷涂准备好的模具。（D） 喷涂后的网格模板。比例尺 = 2 毫米 （B，D）。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 4：移除模板并检查图案化模具表面。 （A） 从模具中取出模板。（B） 让酒精蒸发后的霉菌示例。（C） 注塑成型前模具网格的放大视图。比例尺 = 1 毫米 （C）。 请单击此处查看此图的较大版本。

6. 喷涂模具，无需模板

1. 在模具上喷涂 DIC 斑点图案（图 5）
   1. 打开空气压缩机。确保压缩机气压为 0.34 至 0.69 bar （5-10 psi）。
   2. 在通风橱中，将没有模板的模具定向为略微偏离垂直的角度，以便以 90° 角喷涂。
   3. 通过短暂压缩扳机同时瞄准备用纸来测试空气刷，以确保斑点图案合适（在空间上随机分布，正确的斑点大小分布以放大实验成像设置）。
   4. 在模具上轻弹扳机，在模具上创建斑点图案，如图 5C 所示。等到细颗粒明显干燥（至少 180 到 300 秒）或悬浮液可能会弄脏。
      注意：斑点大小可以通过改变气压来调整。

图 5：在模具上喷涂随机图案。 （A） 轻拂气笔刷扳机以创建斑点图案。（B） 霉菌上的斑点图案。（C） 霉菌上的斑点图案。（D） 放大的斑点图案。 请单击此处查看此图的较大版本。

7. 组装模具（图 6）

1. 组装模具。
   1. 轻轻组装模具，为注塑成型过程做准备。
      注意：实验人员在执行其注塑成型过程之前至少可以暂停数天。应降低注射成型速率，以避免细颗粒弄脏。

图 6：模具组装。 （A） 板和盘模完全组装，（B） 盘模组装，（C） 板模组装。 请单击此处查看此图的较大版本。

Results

对于追求代表特定材料机械性能的模型的实验者来说，有必要用一组具有不同几何形状的试样进行多次不同的实验。使用这种技术创建的标本示例如图 7 所示。图 7A 显示了在白色样品上具有黑色网格设计的 Ecoflex 硅胶板。所示的一面为黑色网格，反面为黑色 DIC 斑点。图 7B 显示了在黑色样品上具有白色网格设计的 Ecoflex 硅胶板。就像图 7A 中所示的样品一样，图 7B 中的样品在背面具有 DIC 散斑图案，由图 6A 所示的准备好的模具模制而成。这种在白色上创建黑色设计和在黑色上创建白色设计的图案，同时具有网格和 DIC 散斑图案，也显示在图 7 的面板 C、D、F 和 G 中所示的圆柱体和立方体样品上。图 7E 提供了一个白底蓝字网格的板示例。

图 8 表示由于注射成型流速过高而导致的图案不良样品。DIC 斑点图案已涂抹，因此颗粒会扩散成条纹。这个标本是特意制造的稀疏 DIC 斑点图案，以清楚地说明涂抹。如果需要，这种方法允许实验人员放置更密集的散斑图案，以获得更好的 DIC 结果 ^7,8,9，特别是对于小应变实验。不同密度的散斑图案如图 9B、C 所示。 图 10 显示了使用这种方法制造的硅胶板的图像，并叠加了 DIC 应变场彩图，以说明成功的光学跟踪。

图 7：实验中使用的样品示例。（A） 单轴拉伸下带有黑色网格点的白色板。（B） 单轴张力下带有白色网格点（模板图案）的黑色板。（C） 带有白色网格点的黑色圆柱体。（D） 带有 DIC 斑点图案的黑色圆柱体。（E） 蓝色网格点 （F） 带有白色网格点和 DIC 斑点图案的白色立方体。（G） 带有白色网格点的黑色立方体。比例尺 = 1 毫米 （E），1 厘米 （A-D，F，G）。缩写：DIC = 数字图像相关性。请单击此处查看此图的较大版本。

图 8：注射成型速度过快且斑点图案被涂抹的试样示例。 注射成型流向由图像底部的水平箭头指示。斜箭头表示涂抹图案的几条条纹的位置。比例尺 = 2 毫米。 请点击此处查看此图的较大版本。

图 9：光学跟踪中使用的示例图像设计。 （A） 用于光学跟踪的网格图案示例，（B） 用于光学跟踪的稀疏 DIC 散斑图案示例，（C） 用于光学跟踪的密集 DIC 散斑图案示例。比例尺 = 1 厘米。 请点击此处查看此图的较大版本。

图 10：叠加在单轴拉伸实验图像上的数字图像相关应变场示例。 应变沿 y 方向施加，全局工程应变列在每个图像下方。样品各个位置的局部垂直位移用彩图显示，如图右侧的刻度所示。 请单击此处查看此图的较大版本。

Discussion

将颗粒粘附在橡胶类材料（如硅胶）上的能力在工业和研究中都具有优势。然而，众所周知，与低表面能材料的表面粘合可能是一个挑战。一般来说，实验方法需要在标本表面有图案或设计的研究人员通常使用专门为喷枪配制的油漆，例如 Createx 和 Vallejo ^1,10 制造的油漆。这些使用油漆的应用通常需要底漆，但仍然无法达到所需的图案耐用性。在柔性基材上，油漆在机械测试过程中开裂时可能会弄脏或脱落成片。这些标记胶粘剂故障会改变由数字图像相关等光学跟踪方法捕获的数据场。我们的方法确保了表面图案的持久耐用性。我们目前有超过 6 年的样品，我们试图积极涂抹并机械去除表面图案。所有去除这些标记的努力都失败了，这表明表面图案的坚固性。

在工业中，可能还需要在橡胶类材料的表面应用设计、符号或文字，以实现安全和工艺说明，例如安装垫圈。例如，在汽车行业中，通常会在橡胶垫圈上压印“THIS SIDE UP”等字样或压印箭头，以提供清晰的安装说明。传统上，这些标记是通过修改模具表面来实现的，使文字位于零件其余部分表面的上方或下方。这种方法需要在每次需要更改标记时制造一个新的模具。此外，最终部件在压印所在的位置将具有不同的厚度，从而导致在作过程中出现潜在的故障部位。我们的方法通过不以任何方式改变模具并允许最终材料的表面保持均匀的厚度来克服这两个问题。

已进行机械测试，以确认我们的图案化方法不会影响材料的机械属性。我们在各种加载模式下反复测试试样，例如简单剪切、单轴拉伸、压缩甚至冲击试验。此外，与其他油漆应用方法相比，这种方法对环境是安全的。在对模具进行空气喷刷时，我们通过在溶液中使用酒精来避免使用有毒、易挥发的油漆溶剂。最后，我们的方法的一个值得注意的特点是能够在样品表面创建多色、高分辨率的图案。该方法受模板的粒度和制造精度的限制。颗粒大小必须足够小，以达到所需的保真度并克服注塑成型工艺的流速。试样尺寸和几何形状仅受模具尺寸和所选材料的限制。我们利用硅胶成功制造了 2 英寸的立方体，在室温下具有大约 20 分钟的适用期。

模板制造方法将直接影响特征尺寸分辨率和在颗粒喷涂过程中在模具型腔上创建高保真设计的能力。仔细考虑哪种模板制造是图案化方法的组成部分。在这里，我们提供了一组简单的模板准备技术以及每种技术可以形成的最小特征尺寸 l_min。首先，用美工刀手工切割：X-Acto 刀或实用刀片等精密工具最适合细节和复杂的设计，并且适用于塑料片、聚酯薄膜或卡片纸等材料（_{最小 l ≥} 1 毫米）。第二种，用剪刀手工切割：可用于纸张或薄乙烯基等轻质材料，以产生简单的形状和不太复杂的设计（最小 l_≥ 1 mm）。第三，像 Cricut 或 Silhouette 这样的模切机：可以使用粘性乙烯基或纸板等材料（最小 l_≥ 250 μm）精确切割复杂的设计。第四，激光切割：适用于亚克力、木材或厚塑料模板（最小 l_≥ 100 μm）的复杂图案的高科技选择。第五，热切割工具：电热刀或烙铁可以熔化热塑性模板材料，如聚酯薄膜或其他挤出聚合物薄膜（最小 l_≥ 1 毫米）。此方法可生成平滑的边缘。第六，冲孔：有助于小的、重复的形状，它们在轻质材料上效果最好（l_min ≥ 100 μm）。最后，计算机控制的路由器可用于大型或工业规模的模板项目（l_min 变化）。

在任何新的制造方案中，流程中的某些步骤对于实现预期结果都至关重要。在我们的方法中，有三个步骤应该强调并给予特别注意。第一个关键步骤是让酒精从喷枪颗粒悬浮液中完全蒸发，只留下粘附在模具表面的颗粒。如果酒精没有完全蒸发，则在注塑成型过程中，模具上的设计很可能会弄脏和/或酒精与未固化的材料混合。颗粒的尺寸必须足够小，因为这些悬浮在喷枪中的酒精“油漆”中的颗粒在酒精完全蒸发后会粘附在模具上。颗粒的大小是一个需要注意的重要限制。如果颗粒太大，范德华力将不足以将颗粒安全、永久地粘附到橡胶类材料表面的表面。然而，可以从几家商业颜料供应商处以经济实惠的价格轻松获得合适尺寸的颗粒。

第二个关键步骤是粘合剂的量，它将模板暂时固定在模具上。根据我们的经验，执行此步骤的最佳方法是使用一次快速喷涂胶粘剂。我们建议尽可能少地使用胶粘剂，同时仍确保模板与模具完全接触。通过用手指或橡胶刮刀等合适的工具手动压平模具上的模板，可以形成保形接触。如果模板的开口与模具不完全平坦，则在气刷过程中，颗粒悬浮液会迁移到模板图案的边缘下方，从而显着降低表面设计边缘的清晰度。如果使用了太多的胶粘剂，去除模板将具有挑战性，并且可能会损坏新应用的设计。此外，过多的粘合剂会导致试样在固化过程中强烈粘附在模具上，使脱模过程几乎不可能在不损坏试样的情况下进行。

第三个关键步骤是注塑成型过程中未固化硅胶的注射速率。根据我们的经验，我们观察到足够慢的注射成型流速并不能克服将细颗粒粘附到模具上的范德华力，从而可以在不干扰图案颗粒的情况下填充模具型腔。需要进行一些实证测试来确定最佳注射速率，该注射速率足够慢以避免模型涂抹，但又足够快以在硅胶开始固化之前填充模具型腔。如果制造更大体积的部件，则可以在混合物中添加固化阻燃剂。材料的粘度和固化时间将决定每种材料系统的适当注射速率。

Materials

List of materials used in this article

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生态柔性染料	平滑开启	PMS 2757C	Silc Pig 有机硅彩色颜料。Silc Pig 颜料是浓缩的，因此在为 Smooth-On 硅胶产品着色时只需一点点即可大有帮助。 通过混合不同的 Silc Pig 颜色，可以定制颜色。 Silc Pig 9 件装采样器包括黑色、血液、蓝色、棕色、绿色、浅肉色、红色、白色、黄色> https://www.smooth-on.com/products/silc-pig/<。
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