南加州大學(xué)《Small》| 混合3D打印技術(shù)制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)

來(lái)源：GK綠鑰生物科技

南加州大學(xué)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(shù)，該技術(shù)結(jié)合了還原光聚合(VPP)和直接墨水寫(xiě)入(DIW) 工藝的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)和設(shè)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(guò)不同的功能和材料開(kāi)辟?gòu)V泛的潛在應(yīng)用。

什么是還原光聚合(VPP)和直接墨水寫(xiě)入(DIW) ？

還原光聚合打�。╲at photopolymerization，VPP）是一種三維打印技術(shù)，也被稱(chēng)為SLA或光固化打印。它是一種基于光敏樹(shù)脂的制造方法，通過(guò)使用紫外線光源將液體光敏樹(shù)脂逐層固化，從而構(gòu)建出三維物體的方法。直接墨水書(shū)寫(xiě)（Direct Ink Writing，DIW）是一種基于擠出成型的3D打印技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)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(shè)定的3D結(jié)構(gòu)。

為什么要用這兩種方法結(jié)合成新的打印方法？
還原光聚合(VPP)和直接墨水寫(xiě)入(DIW)工藝，高分辨率和多材料能力分別為其優(yōu)點(diǎn)，但二者也均有缺點(diǎn)。VPP在更換材料是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，此外，在打印過(guò)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(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)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(gè)顯著缺點(diǎn)是，由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致打印速度相對(duì)較慢。同時(shí)，分配的材料從噴嘴尖端出來(lái)時(shí)保持其形狀完整也有難度。二者的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，能夠形成更方便，更多功能的打印技術(shù)。

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

圖1 實(shí)驗(yàn)流程及機(jī)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(shù)集成在單個(gè)打印系統(tǒng)中。這種混合打印機(jī)由一臺(tái)自下而上的VPP打印機(jī)和一臺(tái)三軸DIW打印機(jī)組成。將噴嘴尖端嵌入含有光固化樹(shù)脂的基質(zhì)材料容器中，以便在基質(zhì)材料內(nèi)部分配功能材料。同時(shí)，在材料槽下方安裝紫外激光掃描系統(tǒng)。在Galvano鏡的引導(dǎo)下，激光束可動(dòng)態(tài)掃描材料槽底面上的圖像圖案。對(duì)于每一層，噴嘴尖端噴射材料，同時(shí)激光在噴嘴尖端工具路徑后跟蹤，以對(duì)新噴射的光固化材料進(jìn)行光固化，或?qū)Ψ枪夤袒�材料進(jìn)行原位固定。將非光固化材料固定在基體材料內(nèi)�；�質(zhì)材料在周?chē)鷧^(qū)域光固化后，已分配的材料將粘附在液體材料或基質(zhì)材料的基底膜上。然后，構(gòu)建平臺(tái)將切換到當(dāng)前已分配層的上方位置，并下降到在已構(gòu)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(duì)當(dāng)前構(gòu)建層進(jìn)行曝光后，含有DIW和VPP材料的當(dāng)前層將與先前構(gòu)建的層粘合，并與底膜分離。這一過(guò)程逐層重復(fù)，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(kuò)散效應(yīng)的研究

作者的測(cè)量結(jié)果揭示了光固化邊點(diǎn)膠過(guò)程中擴(kuò)散效應(yīng)。首先，在空氣中點(diǎn)膠時(shí)，被點(diǎn)膠材料痕跡的寬度在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)(超過(guò)240秒)保持穩(wěn)定;相比之下，在基質(zhì)材料中點(diǎn)膠材料后，隨著時(shí)間的推移，兩種液體材料之間的擴(kuò)散導(dǎo)致被點(diǎn)跡的寬度逐漸增大。其次，增加空氣壓力會(huì)導(dǎo)致空氣和基體材料中所分布跡線的寬度相應(yīng)增加。第三，當(dāng)施加相同的空氣壓力時(shí)，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(shí)點(diǎn)膠策略可以實(shí)現(xiàn)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(guò)程中通過(guò)激光掃描和點(diǎn)膠接觸擠出的材料，在打印每層CAD模型時(shí)采用自下而上的方法。在當(dāng)前層中的所有點(diǎn)膠材料都固定在基底膜表面后，再將打印層轉(zhuǎn)移到之前構(gòu)建的層上。為確保多層打印過(guò)程的順利進(jìn)行，每一層的制作都有兩個(gè)關(guān)鍵要求：（1）噴嘴尖端分配的材料將固定在基底膜上，當(dāng)帶有先前構(gòu)建層的打印平臺(tái)向下移動(dòng)接近當(dāng)前層時(shí)，當(dāng)前層不會(huì)移動(dòng)；（2）當(dāng)前層牢固的與先前固化的層結(jié)合，以繼續(xù)基于層的打印過(guò)程。本文提出了一種多重曝光方法，通過(guò)分別考慮兩種情況來(lái)滿足上述要求。（1）如果DIW材料與基體材料具有類(lèi)似光固化活性，采用雙曝光機(jī)制將當(dāng)前分配層從底膜轉(zhuǎn)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(guò)程中，薄膜表面的點(diǎn)膠痕跡會(huì)被光固化成凝膠狀。接下來(lái)，打印平臺(tái)向下移動(dòng)到當(dāng)前圖層位置。使用相對(duì)較高能量輸入進(jìn)行第二次曝光，以完全固化當(dāng)前凝膠層，使其能夠牢固附著到之前固化的層上。當(dāng)前層和之前層之間的化學(xué)鍵合力強(qiáng)于當(dāng)前層和基底膜表面之間的附著力，類(lèi)似于傳統(tǒng)自下而上的VPP工藝。因此，打印平臺(tái)可以向上移動(dòng)，將當(dāng)前層與基底膜分開(kāi)。（2）如果DIW基質(zhì)是非光固化的，如導(dǎo)電油墨、液態(tài)金屬或磁性材料，則采用三重曝光機(jī)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(jìn)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(kāi)發(fā)的混合3D打印工藝在無(wú)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(gè)封閉在透明長(zhǎng)方體中的3D螞蟻。將3D數(shù)字模型切割成多個(gè)厚度為100 μm的二維層，每一層都轉(zhuǎn)換成G-Code工具路徑。完成準(zhǔn)備工作后，開(kāi)始打印過(guò)程，將點(diǎn)膠針頭插入透明基質(zhì)材料的容器中，確保點(diǎn)膠針頭與底面之間有一層厚度的間隙。使用預(yù)先設(shè)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(shí)進(jìn)行點(diǎn)膠的3D打印過(guò)程中，由于當(dāng)前層的頂面非常平整，因此當(dāng)前層和之前構(gòu)建層之間可能會(huì)殘留少量基質(zhì)材料。當(dāng)被擠出的材料在沒(méi)有任何約束情況下從分配器噴嘴頂端流出時(shí)，會(huì)形成一個(gè)圓柱形；多條圓柱形線相互疊加，在頂面形成一個(gè)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(zhì)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(gòu)建層和當(dāng)前層之間的液態(tài)基質(zhì)材料還可作為粘合劑，在第二次曝光時(shí)將當(dāng)前層牢固粘附到先前構(gòu)建層上。作者在每一層三維螞蟻周?chē)�固化一種方形基質(zhì)材料，以保護(hù)精密結(jié)構(gòu)并支撐其懸空結(jié)構(gòu)。多層制造過(guò)程包括在點(diǎn)膠和光固化目標(biāo)材料之間反復(fù)切換，然后進(jìn)行第二次曝光，將當(dāng)前層轉(zhuǎn)移到先前構(gòu)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(shí)驗(yàn)裝置來(lái)制造具有不同百分比的硬材料和軟材料的拉伸棒，使用設(shè)計(jì)的填充模式來(lái)調(diào)節(jié)3D打印多材料的剛度。采用不同填充率的交織圖案來(lái)打印設(shè)計(jì)的拉伸桿，填充率從0%到100%。嵌入在軟質(zhì)材料內(nèi)部的剛性交織結(jié)構(gòu)有望提高軟質(zhì)材料凝固后的強(qiáng)度。調(diào)節(jié)DIW沉積硬質(zhì)材料和VPP光固化軟質(zhì)材料的比例，可以調(diào)整所設(shè)計(jì)的多材料組合物的剛度。拉伸桿的相對(duì)應(yīng)變力與剛性材料的體積百分比呈非線性關(guān)系，當(dāng)剛性材料的體積百分比增加75%時(shí)，相對(duì)應(yīng)變力降低一半。由于不同的非均勻材料分布導(dǎo)致不同的力學(xué)性能，因此可以設(shè)計(jì)新的材料性能，并將其添加到材料庫(kù)中。為了展示使用不同異質(zhì)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(chē)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(dǎo)的掃描激光固化的基體材料。

作者對(duì)3D打印車(chē)輪進(jìn)行了壓縮測(cè)試，軟質(zhì)材料輪胎在壓縮下變形明顯，而剛性輪圈結(jié)構(gòu)變形較小保持其形狀。最后作者測(cè)試了混合3D打印工藝，使用兩種光固化樹(shù)脂（軟樹(shù)脂和硬樹(shù)脂）和非光固化導(dǎo)電材料來(lái)制造帶有柔性傳感器的可穿戴設(shè)備。作者設(shè)計(jì)兩種常見(jiàn)的柔性傳感器，即電阻式應(yīng)變傳感器和電容式接觸傳感器。3D打印的電阻式應(yīng)變傳感器將安裝在手指關(guān)節(jié)上，以測(cè)量其彎曲角度。電容式傳感器將安裝在手背，作為人機(jī)交互的響應(yīng)按鈕，兩種傳感器都使用了三種材料。

總結(jié)：作者的這項(xiàng)研究報(bào)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(jié)合，以實(shí)現(xiàn)多材料3D打印。它克服了兩種增材制造工藝在制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的局限性。基于VPP的3D打印因樹(shù)脂槽開(kāi)關(guān)和材料污染問(wèn)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(dòng)性難以保持分散幾何形狀而變得十分困難。作者開(kāi)發(fā)的混合三維打印工藝采用邊光固化邊點(diǎn)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(gòu)建具有復(fù)雜形狀和精細(xì)特征的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。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(jìn)行的擴(kuò)散測(cè)試證明了基于液體樹(shù)脂的材料點(diǎn)膠方法相對(duì)于傳統(tǒng)空氣點(diǎn)膠的獨(dú)特性能和優(yōu)勢(shì)，從而使用相同的打印參數(shù)實(shí)現(xiàn)更高的DIW分辨率。它還顯示了刀具路徑規(guī)劃中定義的點(diǎn)膠噴嘴尖端和掃描激光點(diǎn)之間的安全距離可以避免噴嘴尖端的堵塞問(wèn)題。設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試了多個(gè)測(cè)試用例，以驗(yàn)證多重曝光機(jī)制并演示使用這種多材料3D打印工藝可實(shí)現(xiàn)的功能�？傊�，多材料3D打印工藝可用于制造更復(fù)雜、更精密的結(jié)構(gòu)，甚至是用于生物醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域的集成設(shè)備。

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