《Nature子刊》：多材料3D打印研究突破！實(shí)現(xiàn)大體積異質(zhì)3D物體生成

來源： EngineeringForLife

目前對多材料三維打印的需求越來越大，制造具有不同屬性和功能的精確排列三維物體在各領(lǐng)域均有需要。數(shù)字光處理（DLP）是一種高分辨率、快速3D打印技術(shù)，適用于各種材料。但是多材料3D打印對DLP來說是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)槟壳岸嗖牧限D(zhuǎn)換方法需要直接接觸到打印部件，以去除殘留的樹脂。近日，來自南方科技大學(xué)的葛琦教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多功能異質(zhì)物體離心多材料3D打印的相關(guān)研究。研究成果以“Centrifugal multimaterial 3D printing of multifunctional heterogeneous objects”為題于2022年12月24日發(fā)表在《Nat. Commun.》上。

本文開發(fā)了一種基于DLP的離心式多材料（CM）3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生成大體積異質(zhì)3D物體，其組成、屬性和功能在體素尺度上可編程。離心力實(shí)現(xiàn)非接觸、高效多材料切換，因此CM 3D打印機(jī)可以打印大面積異質(zhì)3D結(jié)構(gòu)（高達(dá)180mm×130mm），材料范圍包括水凝膠、功能性聚合物，陶瓷等。在制造數(shù)字材料、軟體機(jī)器人和陶瓷設(shè)備表現(xiàn)出卓越能力。

圖1 CM三維打印系統(tǒng)創(chuàng)建的異質(zhì)三維物體

本文開發(fā)了一種基于DLP離心式多材料（CM）3D打印方式，通過精確控制每個材料體素空間排列，生成具有多種屬性和功能的大體積異質(zhì)3D物體。使用CM 3D打印系統(tǒng)，可以直接制造出大體積八角桁架結(jié)構(gòu)，白色和黑色單元在空間中交替排列，不同材料之間過渡清晰，沒有發(fā)現(xiàn)明顯材料污染。CM三維打印系統(tǒng)適合打印各種具有不同性質(zhì)和功能的材料。如血管系統(tǒng)，紅色的血管嵌入透明水凝膠基質(zhì)中。隨著時(shí)間的推移，血管中的紅色 "血液 "逐漸擴(kuò)散到基質(zhì)中。開爾文泡沫結(jié)構(gòu)、Miura-origami片、離子導(dǎo)電（IC）八角桁架等。此外，CM 3D打印系統(tǒng)還能夠打印陶瓷，雙材料開爾文泡沫結(jié)構(gòu)。經(jīng)過燒結(jié)由陶瓷-聚合物前體組成的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為純陶瓷結(jié)構(gòu)。

圖2 CM 3D打印系統(tǒng)工作原理

CM 3D打印系統(tǒng)采用"自下而上"投影方式，數(shù)字化紫外光從紫外投影儀照射出，投影儀放置在打印平臺下方，垂直移動以控制每個片子厚度。在打印平臺和紫外線投影儀之間，有一塊玻璃板，支持兩個或更多聚合物樹脂容器，水平移動以提供相應(yīng)切片所需的樹脂，旋轉(zhuǎn)電機(jī)使打印平臺旋轉(zhuǎn)，清除在多材料轉(zhuǎn)換過程中粘在打印部件上的殘留樹脂。CM 3D打印系統(tǒng)，通過高角速度旋轉(zhuǎn)打印部件去除多材料切換過程中殘留樹脂。接著進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究紡絲時(shí)間和速度對殘留樹脂厚度（hR）影響，打印極軟水凝膠時(shí)，高角速度可能會導(dǎo)致嚴(yán)重變形，甚至損壞打印部分，因此打印軟水凝膠時(shí)應(yīng)使用適度角速度。在相同旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)間下，離心力也可有效去除粘在復(fù)雜圖案上的殘留樹脂�？傊�，在去除殘留樹脂的過程中，離心力避免了與打印件直接接觸，從而使CM 3D打印系統(tǒng)能夠以更高的效率打印多材料結(jié)構(gòu)。

圖3 CM數(shù)字材料的3D打印

為研究旋轉(zhuǎn)速度對兩種材料之間過渡變焦的影響，打印由正交黑線和白方塊組成的網(wǎng)格圖案。最大旋轉(zhuǎn)速度是6000轉(zhuǎn)/分鐘，超過此速度，由于裝配誤差導(dǎo)致打印平臺重量分布不均，打印系統(tǒng)會劇烈搖晃。當(dāng)應(yīng)用6000轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)30秒時(shí)，過渡變焦約為150μm。為用兩種材料打印出更小面積電路板，最大的旋轉(zhuǎn)速度可以提高到10000rpm，這樣可將過渡變焦降低至100微米，比其他多材料3D打印技術(shù)過渡變焦要小。打印數(shù)字材料的能力可以只用兩種基礎(chǔ)材料來設(shè)計(jì)和制造一個在不同位置表現(xiàn)出多種機(jī)械性能的單一部件。進(jìn)一步將這種獨(dú)特的能力應(yīng)用于四維（4D）打印，用不同的數(shù)字材料形成一只手的手掌和五個手指，并在手的頂部打印一層水凝膠。將手放入水中1小時(shí)后，由于模量不同，水凝膠層的膨脹促使五個手指彎曲成不同角度。將手放入水中6小時(shí)后，手終于握成了拳頭。

圖4 帶有多傳感器的軟執(zhí)行器CM 3D打印

CM 3D打印系統(tǒng)可直接3D打印軟性氣動執(zhí)行器（SPA），其中彎曲、壓力和溫度傳感器無縫集成。整個SPA可以用五種不同聚合物在一次3D打印中制造出來，包括可拉伸彈性體、硬聚合物、軟聚合物、導(dǎo)電水凝膠和ICE。傳感器與電導(dǎo)線相連。SPA在8千帕的充氣壓力下彎曲到80°。彎曲過程導(dǎo)致彎曲傳感器的電阻增加，接觸傳感器的電容輕微增加，SPA的囊袋壓縮了壓力傳感器，溫度傳感器的電阻保持不變。當(dāng)剛性障礙物阻擋SPA的彎曲時(shí)，由于施加在SPA上接觸力增加，充氣壓力的上升導(dǎo)致壓力傳感器電容增加，溫度升高導(dǎo)致溫度傳感器電阻減少，壓力傳感器電容增加。當(dāng)軟體機(jī)器人抓手什么都不抓、抓鴨子和抓桔子時(shí)，彎曲和壓力傳感器的反應(yīng)不同，而溫度傳感器的電阻恒定，當(dāng)機(jī)器人抓手抓起溫暖或熱的物體時(shí)，溫度傳感器的電阻相應(yīng)變化，可解開溫度對壓力傳感器的影響。

圖5 陶瓷聚合物結(jié)構(gòu)CM 3D打印

CM 3D打印系統(tǒng)打印由陶瓷和聚合物組成的異質(zhì)3D結(jié)構(gòu)。將陶瓷顆�；旌系奖�烯酸酯樹脂中制備陶瓷樹脂，在3D打印過程中轉(zhuǎn)化為固體陶瓷綠體，可與丙烯酸酯彈性體部分形成牢固界面結(jié)合。對由彈性體和陶瓷綠體串聯(lián)組成的混合試樣進(jìn)行單軸測試中，試樣在彈性體上斷裂，表明界面比彈性體更牢固。利用陶瓷綠體和彈性體之間強(qiáng)大界面結(jié)合，可以打印具有懸空的復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步證明對制造工程零件的影響，研究人員設(shè)計(jì)了一個陶瓷軸承，其中滾子和內(nèi)/外圈之間必須有空隙，以便軸承可以自由旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)并打印彈性體來填補(bǔ)空隙，燒結(jié)過程去除彈性體，球軸承就可以無阻力自由旋轉(zhuǎn)，此外打印出渦輪機(jī)構(gòu)造，陶瓷軸承連接著金屬軸和葉輪，由于陶瓷軸承低摩擦，葉輪可以高速旋轉(zhuǎn)。高熱阻使陶瓷軸承能夠在650℃下工作，其低熱導(dǎo)率防止軸過度加熱。

總之，本文開發(fā)了一種基于DLP多材料3D打印方法，該方法利用離心力實(shí)現(xiàn)了對多材料轉(zhuǎn)換過程中引起殘留樹脂的非接觸清洗，能夠生成由水凝膠、功能聚合物甚至陶瓷等材料組成的大體積異質(zhì)3D物體。打印的雙材料結(jié)構(gòu)最大面積為180×130毫米，雙材料過渡變焦的最低寬度約為100微米。CM 3D打印系統(tǒng)適用于打印各種具有獨(dú)特性能和功能的光聚合物�？梢酝ㄟ^將陶瓷和聚合物一起打印，創(chuàng)造出多材料多功能結(jié)構(gòu)和設(shè)備，如數(shù)字材料、無縫集成傳感器的軟體機(jī)器人，以及具有獨(dú)立部件的陶瓷結(jié)構(gòu)。大大增強(qiáng)了創(chuàng)建多功能異質(zhì)物體多材料3D打印能力。




文章來源：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35622-6