《Nature Commun》：雙色拓撲體積3D打印的剛度控制！

來源：材料科學與工程

拓撲體積打印(TVP)物理反向拓撲成像，可以提供快速和無輔助3D打印。在此，來自丹麥技術大學的Yi Yang等研究者展示了波長敏感的光樹脂可以使用可見光和紫外線光源在TVP裝置中同時固化，以產生高精度的內部力學性能梯度。相關論文以題為“Stiffness control in dual color tomographic volumetric 3D printing”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28013-4

等級分支結構是自然和生物系統(tǒng)的標志。能夠在合成系統(tǒng)中重建這些多尺度結構，以及其他生物啟發(fā)的應用，將為工程具有臨床相關大小的全血管化人工組織鋪平道路。鑒于非常高的幾何復雜性，人們傾向于使用增材制造(AM)技術來創(chuàng)建這樣的結構。然而，構建一個多尺度結構需要一個內在的3D方法。如果n是表示目標幾何的一個方向所需的體素數(shù)，則AM的處理時間用n3-D進行縮放，其中D為AM方法的固有維數(shù)。

在體積AM最近的進展，通過采用不同的策略來提高印刷速度。特別是，計算機軸向光刻(或斷層體積3D打印，TVP)，被證明可以在與組織工程相關的長度尺度上進行操作。TVP物理反轉計算機斷層掃描(CT)，在光響應固化體中創(chuàng)建三維能量分布。通過從不同角度投射光線模式，TVP可以平行地修復物體上的所有點，從而切斷了打印時間對體素數(shù)量的依賴。它本質上是3D的，報道的分辨率高達~80μm，但還有改進的空間。TVP可以比傳統(tǒng)的AM方法快幾個數(shù)量級，并可以與其他微加工方法或現(xiàn)有對象(套印)使用。當處理非常軟的水凝膠或懸浮物時，TVP不需要輔助支撐，因為工件的幾何完整性是由粘性的、未聚合的樹脂維持的。

創(chuàng)新的設備設計和樹脂種類的引入，也擴大了TVP的適用性。在TVP中，特定體素的期望入射劑量是通過從不同的方向照射它來實現(xiàn)的，因此，不打算被治愈的體素仍然會接受低劑量的光。因此，理想的固化狀態(tài)是一個特征為誘導閾值，在此閾值以下什么也沒有發(fā)生，然后固化程度隨著劑量的變化而強烈上升。自由基光聚合的丙烯酸酯接近這個理想的誘導劑量定義的溶解氧，它作為自由基抑制劑，然后快速聚合的丙烯酸酯功能。此外，如果樹脂渾濁度在交聯(lián)后增加，工件的固化部分可能會分散分配給它在光路中陰影的體素的劑量，特別是在打印程序的最后旋轉期間。巰基樹脂在反應劑量時表現(xiàn)出更小的轉變，并對單體轉化和凝膠化提供更大的控制。這些樹脂也表現(xiàn)出高度可調諧的機械反應，而丙烯酸酯基樹脂提供很少或沒有可調諧性。然而，巰基光樹脂的誘導閾值會受到輻照度的影響。這種操作凝膠化的額外方法可能允許對工件幾何形狀進行更精細的控制，但由于光源操作功率的額外限制，它也會使工藝升級復雜化。

在此，研究者展示了丙烯酸酯和環(huán)氧單體的混合溶液，可以在雙色TVP裝置中固化，以實現(xiàn)內部力學性能的高精度控制。TVP擅長于將預先設定好的光照劑量，傳遞到3D中的特定點。當在多色模式下工作時，TVP指定每個體素的不同波長之間的劑量比，當使用上述的正交聚合時，它轉換為體素逐個體素的化學和機械特性定制。將環(huán)氧單體引入到丙烯酸酯樹脂中，也改變了其光響應的非線性，而不影響由自由基抑制劑濃度設定的固化閾值，為提高TVP打印輸出的幾何保真度提供了額外的可調性。

圖1 在拓撲體積3D打印中，兩個光源的協(xié)調賦予了定制工件內部力學性能空間變化的高度自由度。

圖2 剛度可以在復雜形狀的工件和所有三個笛卡爾方向上控制。

圖3 在DCTVP中，可實現(xiàn)的剛度對比受到自由基聚合固化閾值的限制，該固化閾值由抑制劑的初始濃度決定。

綜上所述，研究者表明，一個工件具有內部梯度的機械性能，可以產生使用DCTVP。然而，可實現(xiàn)的剛度對比可以限制，如果過度曝光的有害影響成為關注。目前，通過視覺檢測和Jaccard指數(shù)對印刷品質量進行實驗評價。此外，如果能在τopt處關閉自由基聚合，則打印和剛度控制將成為正交的，從而大大拓寬了可實現(xiàn)的性能范圍�？梢圆捎妙愃频牟呗�，將工件固結限制在投影儀的焦點平面上，這將減少光束集光率對打印分辨率的有害影響。