流動(dòng)液體界面實(shí)現(xiàn)快速，大容量的熱控3D打印技術(shù)

來源：材料人


3D打印是一種極具前景的增材制造方法，目前傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)是立體光刻技術(shù)（SLA），是一種很有前途的塑料印刷方法，它通過使用紫外線固化液態(tài)光活性樹脂光來制備由二維層疊層組成的三維物體。這種傳統(tǒng)的SLA技術(shù)存在界面“死層”問題，研究者提出了一種稱為連續(xù)液體界面印刷的變體SLA技術(shù)，利用氧氣抑制來打印過程中的反應(yīng)“死層”。 這一“死層”防止了打印物體的部分與打印缸底部之間的粘合，避免了重復(fù)機(jī)械地從打印缸上切割零件。這種連續(xù)打印方法將垂直打印速度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)消除上述逐層層壓方法固有的材料缺陷。然而，用于這種變體SLA技術(shù)的聚合反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，并且在高速印刷下，設(shè)備散熱是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。此外，氣態(tài)氧的輸送限制了使用傳統(tǒng)的周邊冷卻方案。

近日，Science在線發(fā)表了一篇題為“Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface”的文章，通訊作者是美國(guó)西北大學(xué)David A. Walker教授和James L. Hedrick教授的。該文章報(bào)道了一種用于聚合物部件的立體光刻三維打印方法，使用可移動(dòng)液體界面（氟化油）來減少界面和打印對(duì)象之間的粘附力，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)快速打印。

圖文簡(jiǎn)介

圖1 支持連續(xù)打印的流動(dòng)界面剖面圖

(A)從HARP 3D打印機(jī)中出現(xiàn)的3D打印部件的方案；

（B）不同流速下印刷件下的速度剖面，表明存在滑移邊界；

（C）在該部分下面的滑動(dòng)邊界流剖面圖中插入了一個(gè)具有代表性的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)流剖面圖。

圖2 3D打印部件的紅外熱像圖

(A)固定打印接口；

（B）移動(dòng)接口；

（C）主動(dòng)冷卻的移動(dòng)接口。

圖3 制造現(xiàn)成材料和解決方案

(A)類-ABC聚氨酯丙烯酸酯樹脂制備的Ⅰ型狗骨結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出各向同性的力學(xué)性能；

（B）HARP還能實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和打印保真度；

（C）計(jì)算機(jī)斷層掃描；

（D）沿打印方向的典型高度剖面掃描；

（E）輪廓測(cè)量數(shù)據(jù)的分析允許計(jì)算算術(shù)表面粗糙度；

（F）盡管存在表面粗糙度，最大拉伸應(yīng)力仍然保持特征尺寸不變。

圖4 兼容多種打印材質(zhì)

（A）硬質(zhì)可加工聚氨酯丙烯酸酯部件；

（B）后處理碳化硅陶瓷印刷晶格（綠色聚合物前體的印刷速率；

（C和D）印刷丁二烯橡膠結(jié)構(gòu)；

（E）聚丁二烯橡膠；

（F）在不到3小時(shí)內(nèi)印刷1~1.2米硬聚氨酯丙烯酸酯晶格。

小結(jié)

該研究使得SLA-3D打印技術(shù)在吞吐量、移動(dòng)接口設(shè)計(jì)和材料通用性方面取得了重大進(jìn)步，解決了與大面積、大對(duì)象三維打印相關(guān)的幾個(gè)問題。但是作者提出該領(lǐng)域仍然存在一些巨大的挑戰(zhàn)，包括開發(fā)能夠保持高側(cè)向分辨率并通過接口傳遞高性能的高速光學(xué)系統(tǒng)。此外，高垂直速度的立體光刻系統(tǒng)還受到低粘度和低收縮性樹脂的限制，這些樹脂可用于產(chǎn)生具有工業(yè)相關(guān)性能的結(jié)構(gòu)。
文獻(xiàn)鏈接：Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface, 2019, Science, DOI: 10.1126/science.aax1562.