浙大趙騫/宋吉舟：利用水凝膠分離界面實現光固化快速打印

來源：EngineeringForLife

在投影式光固化（DLP）3D打印技術中，打印材料和投光區(qū)域的層間需要一個分離界面來避免兩部分的過度粘合。但目前常用的分離方法通常需要復雜的設備或昂貴的消耗品，因此，需要一種簡單、經濟、通用的界面分離方法方法來實現光固化打印的大規(guī)模制造。近期，來自浙江大學的趙騫團隊聯合宋吉舟團隊提出了以水凝膠作為分離界面的光固化打印方法，研究人員通過利用該界面在Z軸方向上產生的大幅度可恢復形變，使打印過程中的材料產生的粘附力降低，以實現快速打印。相關論文“Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface”發(fā)表在“Nature Communications”雜志上。

為了構建水凝膠分離界面，研究人員在投光區(qū)域原位光固化了以丙烯酰胺（AAm）為單體，N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）為交聯劑的水凝膠層作為分離界面（圖1），該界面具有優(yōu)異的透明性，且與大多數常見的光敏樹脂不混溶。

圖1 水凝膠分離界面的構建

隨后，研究人員通過力傳感器實時測量分離力，發(fā)現固化后的水凝膠模量越低，質地越軟，分離力就越�。荒�膠層越厚，打印過程中的應變和響應分離力也會越小。并通過對比水凝膠分離界面和商用的氟化乙烯丙烯（FEP）膜的分離力大�。▓D2），說明了水凝膠分離界面在快速打印下的高精度和穩(wěn)定性。

圖2 分離力的評估以及可打印性

其次，研究人員對比了該方法與PDMS界面分離機理的區(qū)別（圖3），發(fā)現與PDMS界面相比水凝膠實現分離的操作窗口要寬得多，這有利于實現DLP快速打印。

圖3 PDMS和水凝膠分離機理的對比

研究人員為深入了解水凝膠分離界面的基本力學性能，對其進行了力學建模和分析（圖4），進一步證明了在相同界面相互作用特性下，較軟和較厚的水凝膠可提供相對較小的分離力。

圖4 含有水凝膠界面的打印過程的力學建模和分析

最后，研究人員使用聚氨酯丙烯酸酯橡膠、形狀記憶聚合物(SMP)等材料打印出了具有多樣化功能的結構（圖5），證明了水凝膠界面對打印樹脂的兼容性。

圖5 與水凝膠界面兼容的多樣性樹脂打印樣品

綜上所述，本文將柔軟且具有一定厚度的水凝膠作為打印過程中的分離界面，從而使該方法在打印速度、樹脂兼容性和打印可靠性等方面表現出顯著的優(yōu)勢，該方法可直接集成到商用的DLP打印機中，其有望在大規(guī)模商業(yè)化中得到實際應用。

參考文獻
Wu, J., Guo, J., Linghu, C. et al. Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface. Nat Commun 12, 6070 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26386-6