日本橫濱國(guó)立大學(xué)開(kāi)發(fā)出3D打印多色微結(jié)構(gòu)

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，來(lái)自日本橫濱國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)三維打印方法，可以使用不同的材料產(chǎn)生多色三維微結(jié)構(gòu)。該研究成果9月16日發(fā)表在光學(xué)學(xué)會(huì)雜志Optical Materials Express上。

近年來(lái)，通過(guò)集成多種材料而能夠生產(chǎn)高功能3D結(jié)構(gòu)的多材料3D打印起了人們的關(guān)注，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種制造方法。例如，已經(jīng)證明了使用材料注入方法的全色3D打印、通過(guò)使用粉末床熔融方法已經(jīng)制造了多色3D聚合物結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)。2019年11月來(lái)自哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Nature上傳的"Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing"一文公布了他們的研究成果，開(kāi)發(fā)出了多噴嘴擠出3D打�。�3D打印再登《Nature》，可實(shí)現(xiàn)多種材料128個(gè)噴頭同時(shí)打印引），該技術(shù)可用于創(chuàng)建多色3D模型和功能設(shè)備，例如執(zhí)行器和軟機(jī)器人。

立體光刻技術(shù)是一種高分辨率和精確的3D打印技術(shù)，通過(guò)使用激光以逐層方式硬化稱為光固化樹脂的光活化材料來(lái)建立高精度的3D結(jié)構(gòu)。它擴(kuò)展了可以同時(shí)使用的材料，并且可以創(chuàng)建使用多種材料的功能性設(shè)備。例如，該研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)人Maruo就基于圓柱的自由表面方法，開(kāi)發(fā)了一種多材料制造方法。該方法，通過(guò)向缸罐的上部添加不同的材料，同時(shí)降低缸體中的基板而無(wú)需清洗工藝，逐層替換光固化樹脂。在該方法中，設(shè)備簡(jiǎn)單，并且易于切換材料。但是，由于在缸體的上部添加了其他樹脂，因此會(huì)產(chǎn)生樹脂污染，無(wú)法再利用。另一個(gè)重要的問(wèn)題是，由于逐層處理，如果沒(méi)有殘留樹脂的洗滌過(guò)程，則無(wú)法在同一平面上使用多種樹脂。

該文第二作者Hana等人提出了另一種多材料立體平版印刷方法，該方法通過(guò)使用帶有用于微流體控制的閥的通道將區(qū)域中的材料擠出并替換為下一種不同的材料。這種方法可用于在同一平面內(nèi)用多種樹脂創(chuàng)建多材料3D結(jié)構(gòu)。然而，由于樹脂是通過(guò)擠壓通道內(nèi)的前一樹脂和下一樹脂來(lái)代替的，所以由于樹脂的直接接觸，可能會(huì)發(fā)生樹脂污染。因此，必須供應(yīng)大量樹脂來(lái)完全替換腔室內(nèi)的樹脂，以消除污染，廢樹脂的量也會(huì)增加。

Kowsari等人開(kāi)發(fā)了另一種能夠儲(chǔ)存多種材料的方法。他們使用了一個(gè)平移的線性平臺(tái)，其中放置了不同樹脂的多個(gè)液滴，為制作多材料3D模型提供了幾種類型的樹脂。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，材料可以容易地更換，無(wú)需通過(guò)微流體控制來(lái)供應(yīng)材料。然而，在當(dāng)前的設(shè)備中，粘附到3D模型周圍的未固化樹脂僅使用鼓風(fēng)機(jī)吹掉，而沒(méi)有使用清潔溶液除去未固化樹脂。因此，根據(jù)3D模型的形狀和復(fù)雜性，移除未固化樹脂的過(guò)程可能無(wú)效。綜上所述，在切換材料時(shí)要避免不同的樹脂相互污染，又不會(huì)在打印物體上產(chǎn)生大量廢料或形成氣泡是一個(gè)難題，因此目前多材料立體光刻仍然存在挑戰(zhàn)。

優(yōu)化彩色立體光刻
在這項(xiàng)新工作中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種將各種材料保持在液滴狀態(tài)的方法，這使它們可以更輕松地在封閉空間（例如微通道）中進(jìn)行交換而不會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)。為了抑制氣泡，每次更換樹脂時(shí)，在樹脂內(nèi)部移動(dòng)3D打印結(jié)構(gòu)。他們還集成了兩步過(guò)程，以在更換樹脂時(shí)徹底清潔3D打印結(jié)構(gòu)以防止交叉污染。

為了實(shí)施這種優(yōu)化方法，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)調(diào)色板來(lái)容納多種樹脂，并將其這個(gè)調(diào)色板和兩個(gè)清潔槽、一個(gè)空氣噴嘴放置在電動(dòng)平臺(tái)上。該研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)人Maruo表示所有過(guò)程，包括3D打印、樹脂替換、氣泡去除和清潔，都是使用他們開(kāi)發(fā)的軟件順序進(jìn)行的。這使得多色三維微結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)生成。

△研究人員創(chuàng)建了一個(gè)調(diào)色板來(lái)容納多種樹脂，并將這個(gè)調(diào)色板和兩個(gè)清潔槽、一個(gè)空氣噴嘴放置在電動(dòng)平臺(tái)上，這樣就可以按順序執(zhí)行所有過(guò)程，以自動(dòng)生產(chǎn)多色3D微結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：橫濱國(guó)立大學(xué)Shoji Maruo

△由兩種類型的樹脂組成的立方體模型，這些樹脂是通過(guò)去除氣泡過(guò)程制成的。(a)鳥瞰圖. (b)前視圖. (c)頂視圖

制作3D多色模型
研究人員通過(guò)將各種類型的光固化樹脂放在調(diào)色板中并使用它們創(chuàng)建3D微結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)試該方法。對(duì)于其中一個(gè)演示結(jié)構(gòu)（一個(gè)直徑僅為1.5毫米、堆疊間距為30μm、堆疊數(shù)量為50層的微型多色立方體），3D打印系統(tǒng)在6小時(shí)的制造過(guò)程中交換了五種顏色的樹脂250次。通過(guò)堆疊四種顏色的樹脂（紅色、藍(lán)色、黃色和綠色），模型的透光光譜會(huì)發(fā)生變化。因此，可以證明立方體的顏色根據(jù)觀看方向而改變。多色立方體模型的總制造時(shí)間為360分鐘。相反，當(dāng)使用單一樹脂執(zhí)行3D制造而不替換樹脂時(shí)，制造時(shí)間僅為14分鐘。因此，為了縮短制造時(shí)間，必須更換樹脂并移動(dòng)平臺(tái)以盡可能快地去除氣泡。

△用多色樹脂制造的立方體模型。(a)多色3D模型. (b)鳥瞰. (c)側(cè)視圖. (d)頂視圖

研究人員還表明，調(diào)節(jié)多色樹脂的層數(shù)可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)各部分的吸光度，從而使它們可以通過(guò)組合紅色、藍(lán)色、綠色和黃色層來(lái)創(chuàng)建具有黑色等顏色的微結(jié)構(gòu)。

多色十字形的制作。(a)3D模型的鳥瞰圖. (b)3D模型的俯視圖. (c)鳥瞰圖. (d)頂視圖

Maruo表示這種方法不僅可以應(yīng)用于多色樹脂，而且可以應(yīng)用于多種材料。例如，將各種陶瓷微粒或納米顆粒與光固化樹脂混合，可以用于3D打印各種類型的玻璃。它也可以與生物相容性陶瓷材料一起使用，以制造用于再生骨骼和牙齒的支架。

研究人員現(xiàn)在正在努力縮短更換樹脂和去除氣泡等過(guò)程所需的時(shí)間，以加快制造速度。他們還計(jì)劃使用他們先前證明的技術(shù)來(lái)構(gòu)建多尺度制造系統(tǒng)，其中通過(guò)修改聚焦透鏡和激光曝光條件，可以將制造分辨率從不到一微米更改為幾十微米。

參考文獻(xiàn)：M. A. Skylar-Scott, J. Mueller, C. W. Visser, and J. A. Lewis, “Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing,” Nature 575(7782), 330–335 (2019).

本文來(lái)源：DOI: 10.1364/OME.401810