DLP 3D打印工藝優(yōu)化界面策略

來源： EngineeringForLife

3D打印，又稱增材制造，能夠?qū)⒂嬎銠C輔助設(shè)計直接按需轉(zhuǎn)化為復(fù)雜結(jié)構(gòu)。近年來，這項技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。在各種方法中，數(shù)字光處理(DLP) 3D打印利用聚合物或預(yù)聚物作為墨水，已成為領(lǐng)先的新技術(shù)，這得益于定制生產(chǎn)、醫(yī)療保健、教育和藝術(shù)設(shè)計等不同領(lǐng)域的高需求。DLP 3D打印技術(shù)采用固化切片作為成型單元，因其同時實現(xiàn)高打印速度和分辨率的潛力而受到認(rèn)可。

近日，來自中科院化學(xué)所宋延林研究員/吳磊副研究員從固相和液相之間的界面相互作用的角度總結(jié)了打印過程的關(guān)鍵方面，即速度、精度和材料多樣性優(yōu)化，這些界面相互作用受樹脂形成、固化表面和光源特性的影響。這些相互作用包括液態(tài)樹脂-UV 圖案界面、固化結(jié)構(gòu)-固化表面界面、液態(tài)樹脂-固化表面界面以及液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面，每種界面都對打印結(jié)果的獨特特性有所貢獻(xiàn)。最后，本綜述探討了DLP 3D打印當(dāng)前的挑戰(zhàn)和局限性，為未來的改進(jìn)提供了寶貴的見解，并指導(dǎo)了該領(lǐng)域的潛在創(chuàng)新。

相關(guān)綜述以“Recent Innovations in Interfacial Strategies for DLP 3D Printing Process Optimization”為題于2024年10月19日發(fā)表在《Materials Horizons》上。  

圖1 不同3D打印格式以及相應(yīng)原材料和成型單元的概述

1.DLP打印配置以及涉及的界面
根據(jù)光源與支撐板的相對位置不同，有兩種配置，包括紫外源位于支撐板上方的自上而下配置（圖2a）和紫外源位于支撐板下方的自下而上配置（圖2b）。兩種配置下，打印過程都是在受約束的界面之間進(jìn)行的：自下而上，打印過程是在槽底與固化的三維結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行的；自上而下，打印過程是在頂蓋與固化的三維結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行的。兩種配置的調(diào)控策略具有通用性，因此作者主要介紹自下而上的配置。

由于這三個步驟實際上是在紫外圖樣、固化結(jié)構(gòu)和固化表面之間的界面上進(jìn)行的原位界面固化過程，從界面角度來看，對固化所涉及的界面的調(diào)控將影響打印過程和打印結(jié)果。對于整個打印過程，它涉及到紫外圖樣、液態(tài)樹脂、固化結(jié)構(gòu)和固化表面之間的界面，如圖2c所示。作者主要總結(jié)了界面策略來調(diào)控固體固化表面、固體固化結(jié)構(gòu)和液態(tài)樹脂的固液相接觸界面，這些界面受到光源、液態(tài)樹脂和固化表面的性質(zhì)的影響。隨著不同固液界面的調(diào)控，所涉及界面處的固化或運動也隨之變化，從而導(dǎo)致不同的打印過程或打印結(jié)構(gòu)性質(zhì)，例如打印連續(xù)性、打印配置、打印效率以及受打印過程影響的3D打印結(jié)構(gòu)的功能化或獨特性質(zhì)。   

圖2 自上而下和自下而上的DLP打印過程實驗裝置示意圖

2.液體樹脂- UV圖案界面
在紫外光照下，液態(tài)樹脂會在固化結(jié)構(gòu)（第一層支撐板）與固化面的界面處固化（圖3a），因此紫外固化過程涉及紫外圖案、液態(tài)樹脂與固化面之間的界面，固化面在此起到物理約束的作用，抑制液態(tài)樹脂沿z軸方向的過度固化。液態(tài)樹脂-紫外圖案界面的調(diào)控可以通過紫外圖案調(diào)控和液態(tài)樹脂組分調(diào)控來實現(xiàn)。具體來說，紫外圖案的調(diào)控可以在傳統(tǒng)紫外投影儀的基礎(chǔ)上通過調(diào)控紫外投射強度分布或投射方式進(jìn)行，也可以通過改造紫外投影儀來調(diào)控光路進(jìn)行。

對于不改造紫外投影儀的光強分布調(diào)控，如圖3b所示，主要基于正面光聚合和光聚合誘導(dǎo)的體積收縮來影響膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部固化程度的差異，經(jīng)過后處理或在外界刺激下可變形為三維形貌。正面光聚合是在厚層液態(tài)樹脂內(nèi)部進(jìn)行，在一側(cè)受到紫外光照，隨著作用時間的增加，光衰減和光聚合差異向非光照液體側(cè)擴散。固化過程中，由于單體和交聯(lián)劑之間形成共價鍵，材料體積減小，產(chǎn)生不均勻的體積收縮，前沿移動，相應(yīng)的應(yīng)力場和彎曲趨勢也隨之產(chǎn)生。進(jìn)一步結(jié)合光強模式復(fù)雜性，豐富了xy方向的制造參數(shù)，通過系統(tǒng)的打印工藝設(shè)計，可以制備彎曲結(jié)構(gòu)和3D折紙結(jié)構(gòu)。   

圖3 UV圖樣與液態(tài)樹脂界面的調(diào)控及相應(yīng)的優(yōu)化

3.固化結(jié)構(gòu)-固化表面界面
液態(tài)樹脂在紫外光照射下聚合成固化結(jié)構(gòu)后，需要離開或脫離固化面，為下一液態(tài)層的生成騰出空間，從而進(jìn)行層層固化堆疊，實現(xiàn)3D構(gòu)建。固化結(jié)構(gòu)-固化表面界面的調(diào)控主要影響固化結(jié)構(gòu)與固化表面的分離過程以及液態(tài)樹脂在固化表面的后續(xù)固化（圖4a）。最優(yōu)化的情況是實現(xiàn)三個步驟的同時處理，這實際上首先會實現(xiàn)打印的連續(xù)性，其次也會優(yōu)化打印精度。其次，可以利用聚合物框架內(nèi)部膨脹的惰性液體覆蓋層作為固化表面來減少3D打印過程中的粘連現(xiàn)象，無論液體樹脂類型如何，都可以降低固化結(jié)構(gòu)與固化表面之間的粘附性。固化表面的滑溜特性可以賦予界面更快的液體樹脂鋪展特性，從而導(dǎo)致固化結(jié)構(gòu)與固化表面之間更高的液體樹脂重新填充速度，從而生成新的液體樹脂層以進(jìn)行持續(xù)固化，部分解決了樹脂重新填充現(xiàn)象的第二個障礙，并賦予了更通用的打印過程。   

圖4 固化結(jié)構(gòu)與固化表面界面的調(diào)控及相應(yīng)的優(yōu)化

4.液態(tài)樹脂-固化表面界面   
伴隨著固化結(jié)構(gòu)與固化面的分離過程，液態(tài)樹脂要重新填充固化結(jié)構(gòu)與固化面之間新產(chǎn)生的縫隙，從而生成新的液層以供下一層固化堆積。如前所述，由于固化面或固化結(jié)構(gòu)與固化面之間液相鋪展速度慢而導(dǎo)致的樹脂填充不足是實現(xiàn)連續(xù)打印過程的障礙之一，樹脂填充不足會減慢打印過程，導(dǎo)致打印缺陷和失敗。因此液態(tài)樹脂-固化面界面的調(diào)控主要影響樹脂填充的速度和傾向，從而影響打印的連續(xù)性，進(jìn)一步影響填充層內(nèi)的材料分布，進(jìn)而影響整個三維結(jié)構(gòu)。

圖5 液態(tài)樹脂與固化表面界面的調(diào)控及優(yōu)化

5.液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面

液態(tài)樹脂—固化結(jié)構(gòu)界面的調(diào)控可分為兩種情況，即在結(jié)構(gòu)外表面和固化表面周圍的固化區(qū)域。第一種界面主要影響打印過程中或打印后的后處理過程中液態(tài)樹脂在固化結(jié)構(gòu)外表面的覆蓋過程，以調(diào)控打印結(jié)構(gòu)的輪廓及DLP 3D打印的打印流程（圖6）。對于固化區(qū)域周圍液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面的界面調(diào)控，可以在不引入額外器件的情況下擴展具有多材料兼容特性的DLP 3D打印。傳統(tǒng)上，與3D噴墨打印和直接墨水書寫增加噴嘴數(shù)量類似，增加所涉及的液態(tài)樹脂數(shù)量可以增加3D結(jié)構(gòu)的材料范圍和多樣性。此外，徹底清除每一層黏附的液態(tài)樹脂也是提高邊界精度的另一種方法。通過調(diào)節(jié)液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面，可以控制打印過程、打印結(jié)果和3D結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

圖6 液態(tài)樹脂與固化結(jié)構(gòu)之間的界面的調(diào)節(jié)及相應(yīng)的優(yōu)化

綜上，本文首先介紹了兩種不同的打印配置、打印過程以及DLP 3D打印技術(shù)所涉及的界面，隨后總結(jié)了最近基于界面調(diào)控的DLP 3D打印的打印過程、速度、精度和材料多樣性優(yōu)化的科學(xué)嘗試，包括液態(tài)樹脂-UV圖案界面對打印速度和配置的優(yōu)化，固化結(jié)構(gòu)-固化表面界面對打印連續(xù)性優(yōu)化，液態(tài)樹脂固化表面界面對打印過程、結(jié)果和性能的調(diào)控，液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面對打印結(jié)果和材料復(fù)雜性優(yōu)化。這些調(diào)節(jié)影響打印過程、設(shè)備配置以及3D打印結(jié)構(gòu)的形態(tài)和物理特性。最后，作者展望了DLP 3D打印方法未來的挑戰(zhàn)和進(jìn)步。

文章來源：
https://doi.org/10.1039/D4MH01160K