LLNL發(fā)現(xiàn)新樹脂擴大3D打印范圍，可實現(xiàn)生物支架、電子設(shè)備的打印

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：來自勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL,Lawrence Livermore National Laboratory）的研究人員針對其開創(chuàng)性的體積3D打印方法改編了新型材料，該方法幾乎可以立即生產(chǎn)物體，從而大大擴展了該技術(shù)可實現(xiàn)的材料性能范圍。這項研究成果10月1日發(fā)表在《Advanced Materials 》雜志上，并在《Nature》雜志上進行了重點介紹。

體積增材制造(Volumetric additive manufacturing,VAM)是基于光聚合物3D打印的一種新興方法，該方法可以一步完成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，而無需逐層堆積。這種方法能克服基于逐層制造的許多缺點，例如構(gòu)建時間長和表面粗糙。VAM還預(yù)示著感光聚合物3D打印可用材料的拓寬，與分層打印相比，對粘度和反應(yīng)性的約束更少。確實，盡管VAM已在極軟的水凝膠中得到證明，但到目前為止，它幾乎完全依賴于丙烯酸酯類化學(xué)試劑。然而，由于所得材料的脆性和玻璃態(tài)性質(zhì)，丙烯酸酯化學(xué)試劑通常受到限制。作為獲得機械性能、熱性能和光學(xué)性能的范圍更廣替代方法，非常需要在VAM領(lǐng)域以及更廣泛的AM中引入替代的交聯(lián)化學(xué)方法。硫醇烯基聚合物是一類因其可控、可調(diào)的機械性能而備受關(guān)注的材料。這通常是歸因于聚合反應(yīng)的逐步增長機理，硫醇烯材料中的分子網(wǎng)絡(luò)更加均勻。

硫醇烯樹脂是適用于體積3D打印的一類材料，它們可與LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)的體積增材制造(VAM)技術(shù)一起使用，包括計算機軸向光刻(CAL,computed axial lithograph)，該技術(shù)通過將三維圖案化的光束投射到樹脂小瓶中來產(chǎn)生物體。當(dāng)光線將液體樹脂在體積中的所需位置固化為固體時，樣品瓶旋轉(zhuǎn)，然后將未固化的樹脂排干，在短短幾秒鐘內(nèi)將3D對象留下（步驟如下動圖）。

體積3D打印技術(shù)操作步驟

①先在一個杯子里裝上光敏樹脂液態(tài)材料

②使用DLP光源進行體曝光

③轉(zhuǎn)盤帶動杯子進行旋轉(zhuǎn)

④在指定的位置把樹脂固化

在研究人員的立體成像系統(tǒng)中，通過疊加多個角度的曝光將3D分布的光能傳遞到樹脂桶，這種方法稱為計算軸向光刻(CAL,computed axial lithograph)（如下圖1）。曝光是使用計算機斷層掃描（CT）算法從3D CAD模型計算出的一系列投影。

▲圖1. VAM硬件配置示意圖。左側(cè)插圖展示了從不同角度投射的示例，從而形成了右側(cè)插圖中所示的結(jié)構(gòu)。比例尺：2毫米。

體積3D打印技術(shù)工作原理就像反向計算機斷層（CT）掃描一樣，在CT機中，X射線管在患者周圍旋轉(zhuǎn)，拍攝人體內(nèi)部器官的照片。然后，計算機再利用這些投影重構(gòu)出一幅3D畫面。

以前，研究人員使用丙烯酸酯基樹脂進行工作，這種丙烯酸酯基樹脂通過CAL工藝可產(chǎn)生易碎且易碎的物體。但是，通過仔細平衡三種不同類型的而創(chuàng)建的新樹脂化學(xué)具有更多用途，并為研究人員提供了靈活的設(shè)計分子空間和更廣泛的機械性能。使用硫醇烯樹脂，研究人員能夠使用LLNL的定制VAM打印機來構(gòu)建堅韌、堅固、可拉伸和柔性的物體。這些成果是朝著人們利用VAM方法顯著擴展可用于光驅(qū)動三維打印的材料類型的愿景邁出的關(guān)鍵一步。

研究人員還演示了第一例從設(shè)計傳遞到樹脂中的3D能量劑量以預(yù)測和測量打印物品的方法，該方法通過層析X射線照相體積增材制造成功地在硫醇樹脂中印刷了3D結(jié)構(gòu)。研究人員表示，該演示為受控3D制造和比較樹脂系統(tǒng)提供了通用參考。

▲用VAM樹脂印刷的復(fù)雜立方體和環(huán)形結(jié)構(gòu)。比例尺:5毫米。

通過研究樹脂在不同光劑量下的行為，研究人員補充說，他們的目的是改善計算模型與實驗之間的一致性，并將光化學(xué)行為應(yīng)用于計算機斷層掃描重建過程中，以生成用于構(gòu)建物體的3D模型。

這項研究代表著批量增材制造的“重大進步，因為他們朝著實現(xiàn)高性能印刷工程聚合物的目標(biāo)邁進，尤其強調(diào)了在生物支架中使用硫醇材料。研究人員表示硫醇材料在粘合劑、電子產(chǎn)品和生物材料等應(yīng)用中都顯示出了希望。

參考文獻：.Brett E. Kelly, Indrasen Bhattacharya, Hossein Heidari.
本文來源：Caitlyn C. Cook et al. Highly Tunable Thiol‐Ene Photoresins for Volumetric Additive Manufacturing, Advanced Materials (2020). DOI: 10.1002/adma.202003376