Nature子刊:突破性3D打印光固化空间控制技术,多波长实现多材料混合制造


Nature Communications期刊上又发布了一篇意义重大的3D打印技术《Multimaterial actinic spatial control 3D and 4D printing》:多波长光源,同时3D打印多种光敏树脂材料。

如今,光固化3D打印技术已经被广泛采用在齿科、首饰、手办、汽车、消费电子、衣服、鞋子等领域。然而如上图一样的常规光固化3D打印机,一次仍然只能打印一种材料。如果凭借光固化3D打印技术的高精度,加上多材料的话,就能实现多性能的打印效果,将大大拓宽应用范围。

在光固化领域,多材料或者说混合材料的3D打印,一直没有突破。2019315日,一篇发表在《Nature Communications》上的论文,给出了新颖的解决办法。

威斯康星大学麦迪逊分校的科学家开发出一种新型3D打印机,它拥有可见光和紫外光两种模式,可以同时打印多种光敏树脂材料。


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技术原理

该方法利用多材料光固化空间控制(MASC)技术,在增材制造过程中根据不同的材料化学成分选择不同的光源波长。多组分光敏素包括具有相应的自由基和阳离子引发剂的丙烯酸酯和环氧化物基单体。

在长波长(可见光)照射下,观察到丙烯酸酯组分的优先固化。在短波长(UV)照射下,掺入丙烯酸酯和环氧化物组分的组合优先固化。

这使得能够生产含有硬质环氧化物网络的多材料部件,与软水凝胶和有机凝胶形成对比。 MASC配方的变化极大地改变了打印样品的机械性能。使用不同MASC配方打印的样品具有空间控制的化学不均匀性,机械各向异性和空间控制的膨胀。


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原理听起来有点复杂,在实际操作中,研究人员同时将来自两台投影仪的光线导向一大桶液体原材料,在平台上逐层构建。构建一个层之后,构建平台向上移动,然后构建下一层。



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 实验场景:(A)自定义多材料DLP 3D打印机设置的标记图。 一个笔记本电脑同时控制可见光、紫外线投影仪、以及3D打印机。 B)标记设置关联图相。 C)物理多材料设置,未标记。 图片:笔记本电脑上显示的内容同时被发送到投影仪(UV投影仪,前置)和投影仪(Optoma HD27,背面的白色投影仪)。


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也就是说用两个光源+一桶树脂,实现两种材料的光固化3D打印。

光源控制

先说光源的控制,研究人员创建了二元图像组合,一系列图像通过可见光DLP投影仪处理,而另一组图像并行发送到紫外线投影仪系统。


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多材料打印样品的例子如上图所示,将样品浸没在甲苯或留兰香油中时,不同区域之间的对比清晰可见。透明的部分是由可见光打印的,而不透明区域则用UV光打印。第一个例子类似于带有内部骨骼的手,其硬质部分完全包裹在较软的外部材料内。这些样品共同展示了在XYZ三个方向控制多材料成分的独特能力。


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材料组合

顶部图像显示数字设计及其打印形状。紫色对应于紫外线固化的硬环氧化物区域,而灰色区域是可见光固化的丙烯酸酯区域。在底部,3D打印的MASC徽标变成了由刚性,不透明区域和柔软透明区域组成的打印对象。 
固化位置控制

研究人员面临的主要障碍是优化原料的化学性质。他们首先考虑了两种单体在一个桶中的表现。他们还必须确保单体具有相似的固化时间,以使每层内的硬质和软质材料在大约相同的时间内完成干燥。
通过适当的化学反应,研究人员现在可以通过紫外线或可见光确切地确定每种单体在打印物体内固化的位置。
技术缺陷

UW-Madison化学教授A.J. Boydston带领他最近与表示:还有许多不完善之处,但这些都是令人兴奋的新挑战。

现在,Boydston希望解决这些缺陷并回答未解决的问题,例如可以使用其他单体组合以及是否可以使用不同波长的光来固化这些新材料。 Boydston还希望组建一个跨学科团队,以增加波长控制的多材料3D打印的影响。

施瓦茨表示,使用化学方法消除工程瓶颈正是3D打印行业向前发展所需要的。正是这种化学和工程界面将推动该领域达到新的高度。