南加州大學《Small》| 混合3D打印技術制造異質結構

來源：GK綠鑰生物科技

南加州大學陳勇教授在《Small》期刊上發(fā)表論文“Hybrid Multimaterial 3D Printing Using Photocuring-While-Dispensing”，提出了一種新穎的混合3D打印技術，該技術結合了還原光聚合(VPP)和直接墨水寫入(DIW) 工藝的優(yōu)勢，以實現功能結構和設備的多材料和高分辨率打印，這種多材料3D打印工藝將通過不同的功能和材料開辟廣泛的潛在應用。

什么是還原光聚合(VPP)和直接墨水寫入(DIW) ？

還原光聚合打印（vat photopolymerization，VPP）是一種三維打印技術，也被稱為SLA或光固化打印。它是一種基于光敏樹脂的制造方法，通過使用紫外線光源將液體光敏樹脂逐層固化，從而構建出三維物體的方法。直接墨水書寫（Direct Ink Writing，DIW）是一種基于擠出成型的3D打印技術。該技術通過將具有剪切變稀行為特性的粘彈性墨水以微絲的形式擠出，然后逐層堆積形成設定的3D結構。

為什么要用這兩種方法結合成新的打印方法？
還原光聚合(VPP)和直接墨水寫入(DIW)工藝，高分辨率和多材料能力分別為其優(yōu)點，但二者也均有缺點。VPP在更換材料是一個重大挑戰(zhàn)，此外，在打印過程中，沖洗附著在固化層上的未固化材料以及隨后干燥沖洗后的表面，會浪費大量的時間和材料。還有許多非光固化但功能性材料不能用于VPP。DIW打印方法的一個顯著缺點是，由于機械運動而導致打印速度相對較慢。同時，分配的材料從噴嘴尖端出來時保持其形狀完整也有難度。二者的優(yōu)缺點互補，能夠形成更方便，更多功能的打印技術。

作者使用自下而上的VPP配置，在打印過程中讓激光束不受阻礙進入擠出的材料軌跡。

圖1 實驗流程及機制示意圖

混合3D打印方法將兩種廣泛使用的增材制造(AM)技術集成在單個打印系統(tǒng)中。這種混合打印機由一臺自下而上的VPP打印機和一臺三軸DIW打印機組成。將噴嘴尖端嵌入含有光固化樹脂的基質材料容器中，以便在基質材料內部分配功能材料。同時，在材料槽下方安裝紫外激光掃描系統(tǒng)。在Galvano鏡的引導下，激光束可動態(tài)掃描材料槽底面上的圖像圖案。對于每一層，噴嘴尖端噴射材料，同時激光在噴嘴尖端工具路徑后跟蹤，以對新噴射的光固化材料進行光固化，或對非光固化材料進行原位固定。將非光固化材料固定在基體材料內�；�質材料在周圍區(qū)域光固化后，已分配的材料將粘附在液體材料或基質材料的基底膜上。然后，構建平臺將切換到當前已分配層的上方位置，并下降到在已構建層與材料層基底表面之間形成層厚間隙的位置。使用掩膜投影圖像或掃描激光對當前構建層進行曝光后，含有DIW和VPP材料的當前層將與先前構建的層粘合，并與底膜分離。這一過程逐層重復，直到三維部件的所有層都制作完成。

圖2 空氣中分散微量元素與基體材料間擴散效應的研究

作者的測量結果揭示了光固化邊點膠過程中擴散效應。首先，在空氣中點膠時，被點膠材料痕跡的寬度在很長一段時間內(超過240秒)保持穩(wěn)定;相比之下，在基質材料中點膠材料后，隨著時間的推移，兩種液體材料之間的擴散導致被點跡的寬度逐漸增大。其次，增加空氣壓力會導致空氣和基體材料中所分布跡線的寬度相應增加。第三，當施加相同的空氣壓力時，空氣中所分配的材料跡線寬度約為基體材料中所分配的跡線寬度的三倍。因此，光固化同時點膠策略可以實現比傳統(tǒng)DIW工藝在空氣中具有更高寬度分辨率和更大Z厚度的隨指令材料沉積。

圖3 多重曝光法保證了層與層之間的粘合

為了在打印過程中通過激光掃描和點膠接觸擠出的材料，在打印每層CAD模型時采用自下而上的方法。在當前層中的所有點膠材料都固定在基底膜表面后，再將打印層轉移到之前構建的層上。為確保多層打印過程的順利進行，每一層的制作都有兩個關鍵要求：（1）噴嘴尖端分配的材料將固定在基底膜上，當帶有先前構建層的打印平臺向下移動接近當前層時，當前層不會移動；（2）當前層牢固的與先前固化的層結合，以繼續(xù)基于層的打印過程。本文提出了一種多重曝光方法，通過分別考慮兩種情況來滿足上述要求。（1）如果DIW材料與基體材料具有類似光固化活性，采用雙曝光機制將當前分配層從底膜轉移到先前固化的層上。首先，向激光掃描系統(tǒng)提供低功率輸入，在此過程中，薄膜表面的點膠痕跡會被光固化成凝膠狀。接下來，打印平臺向下移動到當前圖層位置。使用相對較高能量輸入進行第二次曝光，以完全固化當前凝膠層，使其能夠牢固附著到之前固化的層上。當前層和之前層之間的化學鍵合力強于當前層和基底膜表面之間的附著力，類似于傳統(tǒng)自下而上的VPP工藝。因此，打印平臺可以向上移動，將當前層與基底膜分開。（2）如果DIW基質是非光固化的，如導電油墨、液態(tài)金屬或磁性材料，則采用三重曝光機制�？傊�，光固化和非光固化材料使用上述多重曝光方法均可成功進行高精度、多材料打印。

圖4 3D打印多材料水晶螞蟻

為了證明開發(fā)的混合3D打印工藝在無材料污染的情況下創(chuàng)建多材料物體的有效性，作者打印了一個封閉在透明長方體中的3D螞蟻。將3D數字模型切割成多個厚度為100 μm的二維層，每一層都轉換成G-Code工具路徑。完成準備工作后，開始打印過程，將點膠針頭插入透明基質材料的容器中，確保點膠針頭與底面之間有一層厚度的間隙。使用預先設定的G-Code工具路徑在基底表面繪制二維切片層。在光固化同時進行點膠的3D打印過程中，由于當前層的頂面非常平整，因此當前層和之前構建層之間可能會殘留少量基質材料。當被擠出的材料在沒有任何約束情況下從分配器噴嘴頂端流出時，會形成一個圓柱形；多條圓柱形線相互疊加，在頂面形成一個不平坦的平面。然而，之前固化層的底面與材料槽中基底薄膜接觸，表面質量相同。因此，新固化層的底面是平的，由基底表面確定。夾在先前構建層和當前層之間的液態(tài)基質材料還可作為粘合劑，在第二次曝光時將當前層牢固粘附到先前構建層上。作者在每一層三維螞蟻周圍固化一種方形基質材料，以保護精密結構并支撐其懸空結構。多層制造過程包括在點膠和光固化目標材料之間反復切換，然后進行第二次曝光，將當前層轉移到先前構建的層上。

圖5 3D打印具有不同功能的多材料部件

作者使用搭建的實驗裝置來制造具有不同百分比的硬材料和軟材料的拉伸棒，使用設計的填充模式來調節(jié)3D打印多材料的剛度。采用不同填充率的交織圖案來打印設計的拉伸桿，填充率從0%到100%。嵌入在軟質材料內部的剛性交織結構有望提高軟質材料凝固后的強度。調節(jié)DIW沉積硬質材料和VPP光固化軟質材料的比例，可以調整所設計的多材料組合物的剛度。拉伸桿的相對應變力與剛性材料的體積百分比呈非線性關系，當剛性材料的體積百分比增加75%時，相對應變力降低一半。由于不同的非均勻材料分布導致不同的力學性能，因此可以設計新的材料性能，并將其添加到材料庫中。為了展示使用不同異質材料創(chuàng)建多材料零件的能力，作者使用不同區(qū)域的剛度不同的材料打印了3D車輪，半透明材料（分配給輪胎的軟材料）是在第二曝光階段由激光G-Code刀具路徑引導的掃描激光固化的基體材料。

作者對3D打印車輪進行了壓縮測試，軟質材料輪胎在壓縮下變形明顯，而剛性輪圈結構變形較小保持其形狀。最后作者測試了混合3D打印工藝，使用兩種光固化樹脂（軟樹脂和硬樹脂）和非光固化導電材料來制造帶有柔性傳感器的可穿戴設備。作者設計兩種常見的柔性傳感器，即電阻式應變傳感器和電容式接觸傳感器。3D打印的電阻式應變傳感器將安裝在手指關節(jié)上，以測量其彎曲角度。電容式傳感器將安裝在手背，作為人機交互的響應按鈕，兩種傳感器都使用了三種材料。

總結：作者的這項研究報告了一種新型混合3D打印工藝，將按需沉積DIW工藝與基于激光固化的VPP工藝相結合，以實現多材料3D打印。它克服了兩種增材制造工藝在制造異質結構方面的局限性。基于VPP的3D打印因樹脂槽開關和材料污染問題限制其多材料打印，而基于DIW的三維打印工藝則因從噴嘴尖端分配材料太慢以及材料流動性難以保持分散幾何形狀而變得十分困難。作者開發(fā)的混合三維打印工藝采用邊光固化邊點膠的策略解決這些局限性，從而形成一種多功能三維打印工藝，可以使用各種材料，構建具有復雜形狀和精細特征的異質結構。這種混合工藝的分辨率在很大程度上受到基于噴嘴的DIW工藝的限制。進行的擴散測試證明了基于液體樹脂的材料點膠方法相對于傳統(tǒng)空氣點膠的獨特性能和優(yōu)勢，從而使用相同的打印參數實現更高的DIW分辨率。它還顯示了刀具路徑規(guī)劃中定義的點膠噴嘴尖端和掃描激光點之間的安全距離可以避免噴嘴尖端的堵塞問題。設計、制造和測試了多個測試用例，以驗證多重曝光機制并演示使用這種多材料3D打印工藝可實現的功能�？傊�，多材料3D打印工藝可用于制造更復雜、更精密的結構，甚至是用于生物醫(yī)學和其他領域的集成設備。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202302405