體積3D打印進(jìn)展綜述：快速、高分辨率、無分層深桶光固化 3D 打印

2024年7月8日，南極熊獲悉，來自瑞士和美國的研究人員最近發(fā)表了一項(xiàng)研究，詳細(xì)介紹了深桶光固化 3D打�。―VP）技術(shù)的進(jìn)展。DVP技術(shù)減輕了對(duì)逐層打印的需求，并實(shí)現(xiàn)了前所未有的制造速度（幾秒鐘內(nèi)）和高分辨率（>10 μm）。

相關(guān)研究以題為“Light from Afield: Fast,High-Resolution, and Layer-Free Deep Vat 3D Printing/遠(yuǎn)場(chǎng)光快速、高分辨率、無層的深桶 3D 打印”的論文發(fā)表在《ChemicalReviews》期刊上。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.4c00134

深桶光固化打印技術(shù) (DVP) 引入了無需分層、高分辨率、基于光固化的高精度 3D 打印。與傳統(tǒng)方法不同，DVP 使用光在樹脂桶深處交聯(lián)液態(tài)光聚合物。這種方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)體積的打印，提供更高的速度和更平滑的效果。

最廣泛使用的光固化打印的方法是采用逐層掃描打�。▓D 1），其中通過穿過激光來誘導(dǎo)點(diǎn)狀交聯(lián)，從而使材料交聯(lián)（例如立體光刻 (SLA)或雙光子聚合（2PP）) 或使用圖像投影（例如，部署數(shù)字微鏡設(shè)備 (DMD) 或液晶顯示器 (LCD) 的數(shù)字光投影 (DLP)）一次交聯(lián)整個(gè)層。在這些方法中，薄層材料通過光投影進(jìn)行光聚合，并附著在前一層已經(jīng)交聯(lián)的材料上。通常會(huì)使用光吸收劑來防止光穿透交聯(lián)層并導(dǎo)致過度聚合。利用光作為雕刻工具，通過加快打印過程中各層之間的過渡，可以加快制造速度，例如連續(xù)液體界面生產(chǎn) (CLIP)。更快的生產(chǎn)周期使其對(duì)于快速原型設(shè)計(jì)和迭代設(shè)計(jì)流程特別有價(jià)值。此外，通過基于光的打印實(shí)現(xiàn)更光滑的表面處理簡(jiǎn)化了后處理，進(jìn)一步加快了生產(chǎn)時(shí)間。

過去幾年，與上述涉及薄層材料增材交聯(lián)的方法相反，人們開發(fā)出了新的打印方法，這些方法依靠光傳播到充滿樹脂的大桶深處，以實(shí)現(xiàn)累積光劑量，從而將材料交聯(lián)成復(fù)雜的形狀。在 3D 打印或增材制造界，術(shù)語“體積打印”經(jīng)常用于描述這些技術(shù)，但該術(shù)語的使用存在分歧。一種普遍的理解是，體積打印方法應(yīng)該通過光投影同時(shí)生成 3D 打印結(jié)構(gòu)的整個(gè)體積，這將包括多方向投影技術(shù)或斷層打印。不過，其他技術(shù)在光傳播深入樹脂槽體積的工藝原理以及光引發(fā)和交聯(lián)機(jī)制方面也具有一些共同點(diǎn)。其中包括基于光片的立體光刻技術(shù)或絲狀光（FLight）生物制造。由于交聯(lián)是在充滿樹脂的容器中進(jìn)行的，因此體積印刷這一術(shù)語也用于基于光片的技術(shù)，例如 Xolography。為了避免這些差異，研究人員在本篇論文中使用“深桶”打印這一術(shù)語，以便能夠同時(shí)涵蓋相關(guān)的四種技術(shù)。

深桶光固化打印是使用旋轉(zhuǎn)樹脂桶和多個(gè) 2D 光投影來創(chuàng)建復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)。多向投影涉及從各個(gè)角度投射光以產(chǎn)生累積 3D 光劑量，從而有效地固化樹脂以形成復(fù)雜的形狀。

圖 1.傳統(tǒng)的SLA逐層掃描和 DVP 方法。（圖片來源：Chansoria 等）

圖 2.A. DVP 方法利用來自多個(gè)方向的光劑量在光樹脂中累積。B. 小瓶保持靜止，從兩個(gè)或三個(gè)不同方向投射具有強(qiáng)度圖案灰度梯度的不同圖像以交聯(lián)樹脂

圖 3.層析掃描打印

DVP 中使用的光樹脂依賴于特定的交聯(lián)機(jī)制，例如逐步增長(zhǎng)聚合，其中一旦達(dá)到臨界光劑量閾值，樹脂就會(huì)凝固。樹脂內(nèi)的光傳播受比爾-朗伯定律支配，該定律決定了光在深入樹脂槽時(shí)如何衰減。準(zhǔn)直光束可確保樹脂深度的均勻性，從而提高打印的精度。

光交聯(lián)動(dòng)力學(xué)起著至關(guān)重要的作用，受溫度和局部光強(qiáng)度等因素的影響。交聯(lián)過程中的放熱反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致局部熱誘導(dǎo)自催化，影響打印分辨率。熱擴(kuò)散和活性物質(zhì)擴(kuò)散也被認(rèn)為是維持打印物體保真度的關(guān)鍵因素。

DVP 未來的改進(jìn)重點(diǎn)是提高分辨率、優(yōu)化光聚合物樹脂和改進(jìn)光投影技術(shù)。潛在應(yīng)用涵蓋從生物醫(yī)學(xué)設(shè)備到航空航天部件等各個(gè)領(lǐng)域，展示了 DVP 在增材制造中的多功能性和效率。