佐治亞理工齊航團(tuán)隊(duì)：單一前驅(qū)體灰度光聚合實(shí)現(xiàn)多力學(xué)特征復(fù)合結(jié)構(gòu)的一體化3D打印成型

來源：高分子科學(xué)前沿

基于光固化的數(shù)字光處理（Digital Light Processing, DLP）3D打印是一種高速度，高精度的打印技術(shù)。近年來其應(yīng)用已從早期的快速成型逐漸擴(kuò)展到各種智能器件的打印。單一材料已經(jīng)無法滿足各種功能化的打印需求。

基于此，佐治亞理工學(xué)院齊航教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合豐田汽車研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過在聚合前驅(qū)體材料上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)并結(jié)合灰度數(shù)字光處理技術(shù)(grayscale DLP)對單體轉(zhuǎn)化率精確控制，可以在大范圍內(nèi)調(diào)控打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征。該技術(shù)利用單一前驅(qū)體實(shí)現(xiàn)了多材料功能結(jié)構(gòu)的一體成型，極大拓展了數(shù)字光處理3D打印的應(yīng)用范圍。

圖一：灰度數(shù)字光處理的基本原理及展示

在低轉(zhuǎn)化率下，有機(jī)單體在氫鍵作用下和共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成穩(wěn)定的高拉伸（~1500%）低模量（~0.01MPa）有機(jī)凝膠軟材料。同時又能在完全反應(yīng)的情況下轉(zhuǎn)化為模量高達(dá)480MPa的硬質(zhì)聚合物。灰度數(shù)字光處理技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了對打印結(jié)構(gòu)力學(xué)特征在50微米尺度的像素級精確調(diào)控。如圖一所示，基于該技術(shù)打印的蝸牛，不僅能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形狀的高精度復(fù)制，還能還原其不同結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征：柔軟可拉伸的身體和堅(jiān)硬的外殼。基于該打印技術(shù)，作者展示了其在過去無法通過單次打印一體成型的各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)及器件制造上的可行性。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

圖二：通過該技術(shù)打印的各類力學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)

文章展示了通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)嵌纖維的各向異性結(jié)構(gòu)，高仿真膠原三螺旋結(jié)構(gòu)和性能梯度結(jié)構(gòu)等復(fù)雜力學(xué)結(jié)構(gòu)的一體成型。

仿生結(jié)構(gòu)

圖三：通過該技術(shù)打印的各類仿生結(jié)構(gòu)

人體及各類生物組織通常都為軟硬復(fù)合結(jié)構(gòu)。此類復(fù)合仿生結(jié)構(gòu)的一體化成型一直是3D打印的一大難點(diǎn)。圖三展示了該工作在此類應(yīng)用上的實(shí)用示例。定制化快速打印具有解剖結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能的心臟瓣膜高仿真模型，可以幫助醫(yī)生對植入體進(jìn)行術(shù)前臨床模擬研究。仿生魚鰭結(jié)構(gòu)可以打印出堅(jiān)硬的魚骨和可開合的肌肉，可用于各類仿生機(jī)器部件。同時可以通過該技術(shù)打印層狀貝殼珍珠母(Nacre)或者纖維布利岡(Bouligand) 等工程仿生復(fù)合結(jié)構(gòu)，幫助研究其強(qiáng)韌機(jī)制。

氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)

圖四：通過該技術(shù)打印的各類氣動驅(qū)動機(jī)構(gòu)

高拉伸的有機(jī)凝膠也展示了該技術(shù)在氣動驅(qū)動器件上的應(yīng)用潛力。圖四打印的仿河豚魚結(jié)構(gòu)，其魚肚為有機(jī)凝膠態(tài)，身體其余部分為硬質(zhì)聚合物。可用氣動驅(qū)動該空腔結(jié)構(gòu)來模擬河豚的應(yīng)激變形。而過去難以制造的氣動執(zhí)行器也可以通過灰度數(shù)字光處理技術(shù)快速成型，實(shí)現(xiàn)可控的拉伸、彎曲、收縮和旋轉(zhuǎn)的基本動作，以及通過基本動作疊加的各類復(fù)雜動作。文章展示了一個纏繞抓取的氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)。

交互傳感器

圖五：通過該技術(shù)打印的各類定制傳感器

文章展示了該技術(shù)在各類可交互，可穿戴的電子器件及傳感器制造上的應(yīng)用。在器件結(jié)構(gòu)中打印微孔并注入液態(tài)金屬，可實(shí)現(xiàn)對包括應(yīng)變、壓力、穿戴式等各類傳感器的高度定制化打印。

小結(jié)
該工作通過聚合前驅(qū)體的材料創(chuàng)新結(jié)合灰度數(shù)字光處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對打印結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)特征大范圍調(diào)控。為聚合物基連續(xù)功能梯度材料與結(jié)構(gòu)的一體化制造提供了新思路，進(jìn)一步拓展了數(shù)字光處理在各類多材料功能異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造上的應(yīng)用范圍。

佐治亞理工齊航教授為該論文通訊作者，岳亮博士為文章第一作者。文章合作者包括來著佐治亞理工團(tuán)隊(duì)的S. Macrae Montgomery，孫曉昊博士，余璐霞博士和來自豐田汽車北美研究院的宋宇陽博士和Masato Tanaka博士以及豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的Tsuyoshi Nomura博士。該工作于近日發(fā)表在Nature Communications。