新技術：多波長光源，同時3D打印多種光敏樹脂材料

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

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

△金屬3D打印機通過材料混構3D打�。∕MSLM）技術，也可以實現(xiàn)不同粉末的混構打印，適用于加工對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

而在光固化領域，多材料或者說混合材料的3D打印，一直沒有突破。22019年3月15日，南極熊獲悉，一篇發(fā)表在《Nature Communications》上的論文，給出了新穎的解決辦法。

威斯康星大學麥迪遜分校的科學家開發(fā)出一種新型3D打印機，它擁有可見光和紫外光兩種模式，可以同時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，在增材制造過程中根據(jù)不同的材料化學成分選擇不同的光源波長。多組分光敏素包括具有相應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。

△實驗場景：（A）自定義多材料DLP 3D打印機設置的標記圖。 一個筆記本電腦同時控制可見光、紫外線投影儀、以及3D打印機。 （B）標記設置關聯(lián)圖相。 （C）物理多材料設置，未標記。 圖片：筆記本電腦上顯示的內容同時被發(fā)送到“右”投影儀（UV投影儀，前置）和“左”投影儀（Optoma HD27，背面的白色投影儀）。


在長波長（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（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。

這使得能夠生產含有硬質環(huán)氧化物網絡的多材料部件，與軟水凝膠和有機凝膠形成對比。 MASC配方的變化極大地改變了打印樣品的機械性能。使用不同MASC配方打印的樣品具有空間控制的化學不均勻性，機械各向異性和空間控制的膨脹。

△光敏樹脂材料配方

原理聽起來有點復雜，在實際操作中，研究人員同時將來自兩臺投影儀的光線導向一大桶液體原材料，在平臺上逐層構建。構建一個層之后，構建平臺向上移動，然后構建下一層。

也就是說用兩個光源+一桶樹脂，實現(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，不同區(qū)域之間的對比清晰可見。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。第一個例子類似于帶有內部骨骼的手，其硬質部分完全包裹在較軟的外部材料內。這些樣品共同展示了在X、Y、Z三個方向控制多材料成分的獨特能力。

頂部圖像顯示數(shù)字設計及其打印形狀。紫色對應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)域組成的打印對象。

研究人員面臨的主要障礙是優(yōu)化原料的化學性質。他們首先考慮了兩種單體在一個桶中的表現(xiàn)。他們還必須確保單體具有相似的固化時間，以使每層內的硬質和軟質材料在大約相同的時間內完成干燥。

通過適當?shù)幕瘜W反應，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固化的位置。

UW-Madison化學教授A.J. Boydston帶領他最近與表示： “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的光來固化這些新材料。 Boydston還希望組建一個跨學科團隊，以增加波長控制的多材料3D打印的影響。

施瓦茨表示，使用化學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。正是這種化學和工程界面將推動該領域達到新的高度。

這項工作于2月15日在Nature Communications雜志上發(fā)表。完整版文章下載

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論文原文：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08639-7

作者及分工

• 美國威斯康星大學化學系 J. J. Schwart博士，負責了整個研究的設計和實施、3D打印、測試，數(shù)據(jù)分析、論文撰寫。
• 美國威斯康星大學化學系A. J. Boydston博士，構思了這個創(chuàng)新想法并監(jiān)督了研究，數(shù)據(jù)分析、論文撰寫。
  

編譯自：3ders