封面文章：低成本精度可變多尺度3D打印技術(shù)，高效率制造功能性微結(jié)構(gòu)

來源：納米人

第一作者：Yuanrui Li
通訊作者：Wei Wu
通訊單位：南加州大學(xué)（美國(guó)）
多尺度技術(shù).pdf (1.18 MB, 下載次數(shù): 568)

2019-3-29 20:34 上傳

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Bioinspired Functional Surfaces Enabled by Multiscale Stereolithography.pdf
研究亮點(diǎn)：
1. 提出了一種低成本精度可變多尺度3D打印技術(shù)，在將精度提高到37微米的同時(shí)提高了3D打印速度4.4倍。
2. 該技術(shù)填補(bǔ)了大體積高分辨率3維制造的空白，特別是用于制造具有微納結(jié)構(gòu)表面的仿生材料。
3. 研究人員成功打印了大面積的具有微米尺度結(jié)構(gòu)的仿生鯊魚皮，通過減阻測(cè)試，研究人員發(fā)現(xiàn)平均10%減阻效果。同時(shí)仿生荷葉結(jié)構(gòu)樣品也被打印出來并且觀察到了超疏水效果。

3D打印：精度與速度之間的矛盾
目前3D打印技術(shù)已經(jīng)可以獲得較高的精度，很多微尺度的結(jié)構(gòu)都可以被很容易的制造出來。而且和傳統(tǒng)加工方式相比，3D打印技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。比如可以制造相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料、一體打印組裝件等等。但是目前高精度3D打印技術(shù)仍然沒有被大范圍的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，這是因?yàn)槿绾卧诒３指呔�度的前提下提高打印速率是目�?D打印的一大技術(shù)難題。


為什么高精度和快速打印不可兼得呢？首先我們需要了解激光3D打印的成型原理，在傳統(tǒng)的3D打印的過程中，每次激光會(huì)停留在一處并且固化這個(gè)地方的樹脂然后再移動(dòng)到下一處地方繼續(xù)固化該處的樹脂，如此反復(fù)最終獲得想要的結(jié)構(gòu)。但是如果想要獲得高精度，就需要降低激光光點(diǎn)尺寸從而每次固化更少體積的樹脂，導(dǎo)致激光需要掃過更多的點(diǎn)從而大大降低了打印的速率。因此目前的3D打印技術(shù)很難在保證高精度的前提下同時(shí)達(dá)到較快的打印速度，這也大大制約了3D打印的應(yīng)用前景。

圖1：3D打印過程中每次固化的樹脂體積元。為了提高精度10倍，所需要的體積元需增長(zhǎng)103倍。

成果簡(jiǎn)介
有鑒于此，南加州大學(xué)吳蔚課題組和陳勇課題組提出了精度可變多尺度3D打印技術(shù)，在保持較高精度的前提下，打印速率達(dá)到傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的數(shù)倍。該研究為解決3D打印技術(shù)高精度和高速率的矛盾提供了新的思路。

圖2：期刊封底

要點(diǎn)1：精度可變多尺度打印機(jī)的設(shè)計(jì)
研究人員通過觀察發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中人們對(duì)于3D打印的物體往往只需要結(jié)構(gòu)的表面具有較高精度而內(nèi)部并不需要。在這種情況下，如果把打印物體的表面和內(nèi)部分開處理，在打印內(nèi)部時(shí)固化較大體積元的樹脂以提高打印速率而在打印表面時(shí)使用更小的體積元以提高精度。通過這種方法，就可以在保證表面高精度的前提下盡量提高整體打印速率。如下圖3所示，將打印物體的模型分成低精度內(nèi)部和高精度表面，通過這種方式就解決了高精度和快速打印的矛盾。

圖3：將3D打印物件模型分成低精度內(nèi)部和高精度表面

基于上述設(shè)計(jì)，研究人員設(shè)計(jì)了一臺(tái)可切換式3D打印機(jī)。在這臺(tái)儀器中一束405納米激光和一束445納米激光被用于固化樹脂，通過半透鏡，這兩束激光會(huì)通過同一光路經(jīng)過一塊激光濾片。該激光濾片是基于納米壓印技術(shù)制造出來的，445納米激光將會(huì)完全通過此激光濾片，如圖4（b）所示。而405納米激光只能通過激光濾片的中央開孔，如圖4（c）所示。因此通過此激光濾片就可以調(diào)整兩束激光的光斑大小。

圖4：可切換式多尺度打印機(jī)和激光濾片工作原理

然后這兩束激光被反射到儀器中的樹脂皿用于固化樹脂。光斑大的445納米激光每次可以固化較大的樹脂體積元，而光斑很小的405納米激光每次只固化較小的體積元。在打印物體內(nèi)部時(shí)使用大光斑激光以提高打印速率而打印物體表面時(shí)使用小光斑激光獲得很高的表面精度。這樣僅僅通過切換兩束激光的開關(guān)，就可以在高低精度間切換從而達(dá)到提高打印速率的目的。

要點(diǎn)2：仿生鯊魚皮&仿生荷葉的打印
如下圖5所示，利用可切換式3D打印機(jī)，研究人員打印出了內(nèi)部具有仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)的管道，通過流體阻力測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)無鯊魚皮結(jié)構(gòu)的光滑管道的摩擦系數(shù)為0.046 ∓0.0017，如果加上仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)，管道的摩擦系數(shù)會(huì)降到0.042 ∓0.0016，因此能夠獲得10%的平均減阻效果。研究人員同樣測(cè)試了不同尺寸的鯊魚皮結(jié)構(gòu)并且發(fā)現(xiàn)高度為142微米的結(jié)構(gòu)具有最理想的減阻效果。具有齒狀微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)仿生鯊魚皮也被成功打�。▓D6）。

圖5：仿生鯊魚皮的實(shí)際打印樣品和減阻測(cè)試

圖6：具有齒狀微結(jié)構(gòu)的仿生鯊魚皮

同時(shí)研究人員也打印出了仿生荷葉結(jié)構(gòu)并且這種結(jié)構(gòu)確實(shí)表現(xiàn)出了超疏水效果，其效果如下圖所示。

圖7：大自然中的荷葉和實(shí)際打印樣品對(duì)比

小結(jié)
這項(xiàng)發(fā)明成功的解決了傳統(tǒng)3D打印技術(shù)中高精度和快速打印的矛盾，并且在實(shí)際應(yīng)用中，獲得了較快的打印速率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了很高的表面精度。這給3D打印在工業(yè)中的應(yīng)用提供了新的思路，我們有理由相信，3D打印技術(shù)將會(huì)擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

Yuanrui Li, Wei Wu, et al. BioinspiredFunctional Surfaces Enabled by Multiscale Stereolithography. Advanced MaterialsTechnologies, 2019.
DOI: 10.1002/admt.201800638
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.201800638

來源：納米人