佐治亞理工學(xué)院齊航教授《AFM》：讓DLP技術(shù)實(shí)現(xiàn)單墨多色打印

來源: 高分子科學(xué)前沿  

數(shù)字光處理（Ditigal light processing, DLP）是一種快速、高分辨率的增材制造技術(shù)：該技術(shù)借助紫外投影儀將產(chǎn)品截面圖形投影到液體光敏樹脂表面，以逐層固化的方式快速得到精細(xì)的三維物體。然而，要想實(shí)現(xiàn)多色3D打印，通常需要復(fù)雜的多墨槽協(xié)同裝置，并輔以換槽清洗工序以避免交叉染色。因此，高效的多色數(shù)字光處理打印成為一個(gè)挑戰(zhàn)。



近日，佐治亞理工學(xué)院齊航教授團(tuán)隊(duì)與多團(tuán)隊(duì)合作，利用一種生物染料實(shí)現(xiàn)了單一墨槽（Single-vat）多顏色DLP 3D打印。在傳統(tǒng)的DLP打印過程中，紫外光導(dǎo)致光引發(fā)劑釋放的自由基，從而固化墨水形成3D結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)自由基在固化墨水的同時(shí)還能使該染料由藍(lán)色變?yōu)辄S色，借助這種變色機(jī)制，通過控制光固化打印過程中的局部紫外光劑量可以產(chǎn)生一系列漸變顏色，從而實(shí)現(xiàn)多色DLP打印。文章以“Multi-color 3D Printing via Single-Vat Grayscale Digital Light Processing（基于單墨槽灰度數(shù)字光處理的多色三維打�。�”為題，在線發(fā)表于 《Advanced Functional Materials》上。


圖1：打印方法與機(jī)理示意圖 （所有圖片比例尺：10 mm）

單墨槽多色數(shù)字光處理打印的原理如摘要圖與圖1所示。團(tuán)隊(duì)通過控制數(shù)字光處理3D打印使用的切片圖案灰度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在像素級(jí)的自由基局部濃度控制，借此得到不同程度的染料氧化變色效果。變色過程發(fā)生在光敏樹脂聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率飽和之后，因此不會(huì)造成材料力學(xué)性能的異化。文中選用了一種藍(lán)色的蒽醌衍生物染料（溶劑藍(lán)104，SolventBlue 104）來展示這一方法，結(jié)果顯示，不同光敏范圍的光引發(fā)劑也都能實(shí)現(xiàn)類似的效果，將投影圖片中由暗到亮的灰度映射到打印物體之上，形成藍(lán)綠黃多級(jí)漸變色譜。



圖2：顏色變化表征

為了在三維物體中實(shí)現(xiàn)精確可控的顏色變化，團(tuán)隊(duì)選用溶劑藍(lán)104與光引發(fā)劑PI 819進(jìn)行了一系列表征。僅含有染料與光引發(fā)劑的溶液樣品經(jīng)過不同劑量的紫外光照射后呈現(xiàn)了一系列顏色漸變（圖2a），并借助紫外-可見光吸收光譜得以表征（圖2b）。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步表征了不同打印參數(shù)（投影切片灰度值與單層光固化時(shí)間）與變色樹脂體系變色程度（Degree of color change, DoCC）的關(guān)系（圖2c），并借助CIELAB色彩空間對(duì)樣品變色程度進(jìn)行量化標(biāo)定（圖2e），為實(shí)際打印過程的參數(shù)選擇提供了重要的依據(jù)。



圖3：彩色三維地形模型打印

作為展示，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套用于打印彩色三維地形模型的算法。如圖3所示，該算法能夠?qū)⒐夤袒�投影圖片的灰度與地形模型的海拔高度映射對(duì)應(yīng)起來，并將普通的白色數(shù)字光處理3D打印切片轉(zhuǎn)換為合適的灰度切片。這一顏色梯度極大地豐富了實(shí)際打印出的模型的視覺信息含量。



圖4：有限元仿真結(jié)果的三維可視化

除此之外，該方法還可以將有限元分析的三維結(jié)果直接打印出來。團(tuán)隊(duì)使用Python腳本，將有限元分析軟件（ABAQUS）生成的工程應(yīng)變運(yùn)算結(jié)果直接切片生成對(duì)應(yīng)的灰度圖片，而在打印結(jié)果中展示出對(duì)仿真運(yùn)算結(jié)果的三維可視化還原。



圖5：（a）更為通用的多色三維模型設(shè)計(jì)、切片處理方法。（b-f）復(fù)雜藝術(shù)花瓶的切片、參數(shù)優(yōu)化與打印。（g-h）非透明墨水的顏色信息加密。

更進(jìn)一步地，團(tuán)隊(duì)在文中提出了更為通用的多色三維模型的切片處理方法，并且展示了一個(gè)嵌有復(fù)雜藝術(shù)花紋的彩色花瓶的切片、參數(shù)優(yōu)化過程，以及細(xì)節(jié)豐富的打印結(jié)果實(shí)物照片。值得一提的是，借助精準(zhǔn)的變色程度定量表征，研究人員可以進(jìn)一步提高打印切片的灰度值，并相應(yīng)地縮短相應(yīng)切片的打印時(shí)間，以更高的效率得到相同的變色結(jié)果。例如，一層灰度為GL120 (RGB 120/255)需要24秒打印的圖案可被優(yōu)化轉(zhuǎn)化成灰度為GL255 (RGB 255/255)而只需3秒打印的圖案，這樣動(dòng)態(tài)差異化的逐層打印時(shí)間大大縮短了打印的總用時(shí)（30%）。文章還展示了使用不透明墨水得到顏色信息加密結(jié)構(gòu)，外表平平而內(nèi)藏玄機(jī)。



圖6：由打印后選擇性紫外光照處理得到的多色結(jié)構(gòu)

除了打印過程中的原位變色，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了打印后的選擇性紫外光照處理方法，直接將設(shè)計(jì)好的圖案投影到物體表面，從而能夠更方便快捷地得到需要的物體表面顏色。另一方面，由于材料體系對(duì)紫外光與氧化的敏感性，此方法打印出來的物體顏色的固定與保護(hù)還有待進(jìn)一步的研究。

該工作提出了一種簡(jiǎn)單有效地多色數(shù)字光處理打印方法。除了藍(lán)綠黃漸變色系，其他不同顏色的（包括紅色，綠色，紫色等）蒽醌衍生物染料也被證實(shí)能實(shí)現(xiàn)類似的變色效果。借此，普通的單墨槽數(shù)字光處理3D打印機(jī)無需改裝便可以高效地實(shí)現(xiàn)多色打印，極具前景與應(yīng)用價(jià)值。

該論文的通訊作者為佐治亞理工學(xué)院齊航教授，第一作者為佐治亞理工學(xué)院博士生彭錫睿。文章合著者包括佐治亞理工學(xué)院博士后岳亮博士，梁斯莊博士，博士生Stuart Montgomery，施樂集團(tuán)路春亮博士和Chieh-Min Cheng博士，佐治亞理工學(xué)院Raheem Beyah教授，以及斯坦佛大學(xué)趙芮可教授。


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https://doi.org/10.1002/adfm.202112329