新技術(shù)：多波長(zhǎng)光源，同時(shí)3D打印多種光敏樹脂材料

魔猴君  行業(yè)資訊   2113天前

如今，光固化3D打印技術(shù)已經(jīng)被廣泛的采用，在齒科、首飾、手辦等領(lǐng)域，然而如上圖一樣的常規(guī)光固化3D打印機(jī)，一次仍然只能打印一種材料。 

△FDM技術(shù)類型的3D打印機(jī)可以通過增加噴頭數(shù)量來實(shí)現(xiàn)多色或者多種材料同時(shí)打印，圖片來源makerbot

△金屬3D打印機(jī)通過材料混構(gòu)3D打印（MMSLM）技術(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)不同粉末的混構(gòu)打印，適用于加工對(duì)不同部位有不同要求的金屬器件（能夠提高器件性能，并增加使用壽命）。圖片來源：德迪智能

而在光固化領(lǐng)域，多材料或者說混合材料的3D打印，一直沒有突破。2019年3月15日，魔猴網(wǎng)獲悉，一篇發(fā)表在《Nature Communications》上的論文，給出了新穎的解決辦法。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家開發(fā)出一種新型3D打印機(jī)，它擁有可見光和紫外光兩種模式，可以同時(shí)打印多種光敏樹脂材料。

該方法利用多材料光固化空間控制（MASC）技術(shù)，在增材制造過程中根據(jù)不同的材料化學(xué)成分選擇不同的光源波長(zhǎng)。多組分光敏素包括具有相應(yīng)的自由基和陽離子引發(fā)劑的丙烯酸酯和環(huán)氧化物基單體。

△實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景：（A）自定義多材料DLP 3D打印機(jī)設(shè)置的標(biāo)記圖。 

一個(gè)筆記本電腦同時(shí)控制可見光、紫外線投影儀、以及3D打印機(jī)。 

（B）標(biāo)記設(shè)置關(guān)聯(lián)圖相。 

（C）物理多材料設(shè)置，未標(biāo)記。 

圖片：筆記本電腦上顯示的內(nèi)容同時(shí)被發(fā)送到“右”投影儀（UV投影儀，前置）

和“左”投影儀（OptomaHD27，背面的白色投影儀）

在長(zhǎng)波長(zhǎng)（可見光）照射下，觀察到丙烯酸酯組分的優(yōu)先固化。在短波長(zhǎng)（UV）照射下，摻入丙烯酸酯和環(huán)氧化物組分的組合優(yōu)先固化。這使得能夠生產(chǎn)含有硬質(zhì)環(huán)氧化物網(wǎng)絡(luò)的多材料部件，與軟水凝膠和有機(jī)凝膠形成對(duì)比。 MASC配方的變化極大地改變了打印樣品的機(jī)械性能。使用不同MASC配方打印的樣品具有空間控制的化學(xué)不均勻性，機(jī)械各向異性和空間控制的膨脹。

△光敏樹脂材料配方

原理聽起來有點(diǎn)復(fù)雜，在實(shí)際操作中，研究人員同時(shí)將來自兩臺(tái)投影儀的光線導(dǎo)向一大桶液體原材料，在平臺(tái)上逐層構(gòu)建。構(gòu)建一個(gè)層之后，構(gòu)建平臺(tái)向上移動(dòng)，然后構(gòu)建下一層。也就是說用兩個(gè)光源+一桶樹脂，實(shí)現(xiàn)兩種材料的光固化3D打印。先說光源的控制，研究人員創(chuàng)建了二元圖像組合，一系列圖像通過可見光DLP投影儀處理，而另一組圖像并行發(fā)送到紫外線投影儀系統(tǒng)。

多材料打印樣品的例子如上圖所示，將樣品浸沒在甲苯或留蘭香油中時(shí)，不同區(qū)域之間的對(duì)比清晰可見。透明的部分是由可見光打印的，而不透明區(qū)域則用UV光打印。第一個(gè)例子類似于帶有內(nèi)部骨骼的手，其硬質(zhì)部分完全包裹在較軟的外部材料內(nèi)。這些樣品共同展示了在X、Y、Z三個(gè)方向控制多材料成分的獨(dú)特能力。

頂部圖像顯示數(shù)字設(shè)計(jì)及其打印形狀。紫色對(duì)應(yīng)于紫外線固化的硬環(huán)氧化物區(qū)域，而灰色區(qū)域是可見光固化的丙烯酸酯區(qū)域。在底部，3D打印的MASC徽標(biāo)變成了由剛性，不透明區(qū)域和柔軟透明區(qū)域組成的打印對(duì)象。 研究人員面臨的主要障礙是優(yōu)化原料的化學(xué)性質(zhì)。他們首先考慮了兩種單體在一個(gè)桶中的表現(xiàn)。他們還必須確保單體具有相似的固化時(shí)間，以使每層內(nèi)的硬質(zhì)和軟質(zhì)材料在大約相同的時(shí)間內(nèi)完成干燥。

通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，研究人員現(xiàn)在可以通過紫外線或可見光確切地確定每種單體在打印物體內(nèi)固化的位置。UW-Madison化學(xué)教授A.J. Boydston帶領(lǐng)他最近與表示： “還有許多不完善之處，但這些都是令人興奮的新挑戰(zhàn)。”

現(xiàn)在，Boydston希望解決這些缺陷并回答未解決的問題，例如可以使用其他單體組合以及是否可以使用不同波長(zhǎng)的光來固化這些新材料。 Boydston還希望組建一個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，以增加波長(zhǎng)控制的多材料3D打印的影響。施瓦茨表示，使用化學(xué)方法消除工程瓶頸正是3D打印行業(yè)向前發(fā)展所需要的。正是這種化學(xué)和工程界面將推動(dòng)該領(lǐng)域達(dá)到新的高度。