科學家利用近紅外光開發(fā)多材料樹脂3D打印新工藝

2023年7月13日，南極熊獲悉，英國赫瑞瓦特大學科學家開發(fā)出基于近紅外光的新型3D打印方法，可實現(xiàn)復雜結構的多材料和多色彩打印。該研究由Jose Marques-Hueso博士領導，赫瑞瓦特傳感器、信號與系統(tǒng)研究所參與。

△該研究中使用的多材料打印方法如圖 

該團隊改進了常用的立體光刻（SLA）3D打印工藝，以實現(xiàn)更大范圍的多材料整合。傳統(tǒng)的SLA工藝使用藍色或紫外激光固化液態(tài)樹脂，逐層構建物體。然而，這種過程無法實現(xiàn)材料的混合。通過新的方法，科學家們采用近紅外光源，能夠?qū)?D打印技術應用于更深的樹脂桶中。研究團隊表示，這種創(chuàng)新工藝為專業(yè)級零件的3D打印提供了巨大潛力，尤其是在健康和電子領域。

雖然這不是第一種實現(xiàn)多材料3D打印的工藝，熔融沉積成型（FDM）技術長期以來已經(jīng)具備了多材料打印的能力。然而，科學家們聲稱他們的新方法能夠以更高的分辨率打印多材料零件。

△Jose Marques-Hueso博士（左）和Adilet Zhakeyev博士

赫瑞瓦特大學的Adilet Zhakeyev博士表示，研究團隊在該項目上已經(jīng)研究了近三年。他說：“雖然熔融沉積成型（FDM）技術可以實現(xiàn)材料混合，但分辨率較低，各層可見。而基于光的技術，如立體光刻技術，可以提供分辨率低于5微米的光滑樣品。”

該項目名為“通過發(fā)光激發(fā)進行交聯(lián)的多材料立體光刻”，獲得了工程和物理科學研究委員會（EPSRC）28萬英鎊（約為261萬人民幣）的資助。

△該研究成果已發(fā)表在《今日應用材料》雜志上，論文題目為“上轉(zhuǎn)換3D打印可實現(xiàn)單浸式多材料立體光刻”（傳送門）

新的近紅外3D打印工藝

該方法的創(chuàng)新之處在于使用利用近紅外（NIR）光在超過5厘米深度進行3D打印，這大幅超越了傳統(tǒng)SLA技術的0.1毫米深度限制。Marques-Hueso博士聲稱這種方法是前所未有的。

這種新工藝的主要優(yōu)勢之一是允許用戶先使用一種材料進行3D打印，然后添加第二種材料。第二種材料不僅限于打印物件的頂部和外表面，而且可以在3D空間的任何位置固化。這是因為近紅外激光能夠穿透原始打印物件的外層。

Marques-Hueso博士解釋：“例如，我們可以打印一個四面大部分都是密封的空心立方體。然后，在稍后的時間內(nèi)，我們可以在這個盒子內(nèi)部打印由完全不同的材料制成的物體，因為近紅外激光會穿透之前的材料，就像它是不可見的一樣。實際上，在近紅外下，它是完全透明的。"

△新3D打印流程示意圖

該項目的關鍵部分是開發(fā)一種工程樹脂，其中含有具有光學轉(zhuǎn)換功能的納米顆粒。這些納米顆粒吸收近紅外光子，并將其轉(zhuǎn)化為藍光子，從而固化樹脂。這種現(xiàn)象是非線性的，意味著它主要發(fā)生在激光焦點處，而不是穿過激光焦點的地方。這使得近紅外能夠深入滲透到材料中，就像它是透明的一樣，只固化內(nèi)部材料。

這種創(chuàng)新的工藝使得在同一樣品中可以3D打印具有不同屬性的多種材料。例如，柔性彈性體和剛性丙烯酸樹脂可以同時打印�？茖W家們指出了該方法的多種應用，包括腔內(nèi)3D打印、鞋子制造、破損物體修復以及通過皮膚進行原位生物打印。

研究人員表示，該技術還以其經(jīng)濟實惠而著稱，制造成本不到400英鎊（約為3732元人民幣）。相比于其他使用激光的先進技術，例如雙光子聚合（2PP）需要昂貴的超快激光器數(shù)萬英鎊，這種方法提供了更為廉價的解決方案。Marques-Hueso博士表示，他們希望與企業(yè)合作，進一步發(fā)展這項技術。

△多材料3D打印設備示意

多材料樹脂3D打印

Heriot-Watt的方法不是第一個實現(xiàn)多材料樹脂3D打印的工藝。去年，BCN3D推出了粘性光刻制造(VLM) 3D打印技術，實現(xiàn)了雙材料樹脂3D打印的功能。該技術利用紫外光引擎和LCD屏幕，在一次構建中可以3D打印兩種不同的樹脂。另外，RepRap創(chuàng)始人Adrian Bowyer博士提出了一種SLA多材料3D打印的方法，通過交替使用兩種不同的樹脂在每一層打印中實現(xiàn)多材料的組合。這些研究進展為多材料3D打印提供了更多選擇和可能性。