《Nature Commun》：雙色拓?fù)潴w積3D打印的剛度控制！

來源：材料科學(xué)與工程

拓?fù)潴w積打印(TVP)物理反向拓?fù)涑上�，可以提供快速和無輔助3D打印。在此，來自丹麥技術(shù)大學(xué)的Yi Yang等研究者展示了波長敏感的光樹脂可以使用可見光和紫外線光源在TVP裝置中同時固化，以產(chǎn)生高精度的內(nèi)部力學(xué)性能梯度。相關(guān)論文以題為“Stiffness control in dual color tomographic volumetric 3D printing”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28013-4

等級分支結(jié)構(gòu)是自然和生物系統(tǒng)的標(biāo)志。能夠在合成系統(tǒng)中重建這些多尺度結(jié)構(gòu)，以及其他生物啟發(fā)的應(yīng)用，將為工程具有臨床相關(guān)大小的全血管化人工組織鋪平道路。鑒于非常高的幾何復(fù)雜性，人們傾向于使用增材制造(AM)技術(shù)來創(chuàng)建這樣的結(jié)構(gòu)。然而，構(gòu)建一個多尺度結(jié)構(gòu)需要一個內(nèi)在的3D方法。如果n是表示目標(biāo)幾何的一個方向所需的體素數(shù)，則AM的處理時間用n3-D進(jìn)行縮放，其中D為AM方法的固有維數(shù)。

在體積AM最近的進(jìn)展，通過采用不同的策略來提高印刷速度。特別是，計算機(jī)軸向光刻(或斷層體積3D打印，TVP)，被證明可以在與組織工程相關(guān)的長度尺度上進(jìn)行操作。TVP物理反轉(zhuǎn)計算機(jī)斷層掃描(CT)，在光響應(yīng)固化體中創(chuàng)建三維能量分布。通過從不同角度投射光線模式，TVP可以平行地修復(fù)物體上的所有點，從而切斷了打印時間對體素數(shù)量的依賴。它本質(zhì)上是3D的，報道的分辨率高達(dá)~80μm，但還有改進(jìn)的空間。TVP可以比傳統(tǒng)的AM方法快幾個數(shù)量級，并可以與其他微加工方法或現(xiàn)有對象(套印)使用。當(dāng)處理非常軟的水凝膠或懸浮物時，TVP不需要輔助支撐，因為工件的幾何完整性是由粘性的、未聚合的樹脂維持的。

創(chuàng)新的設(shè)備設(shè)計和樹脂種類的引入，也擴(kuò)大了TVP的適用性。在TVP中，特定體素的期望入射劑量是通過從不同的方向照射它來實現(xiàn)的，因此，不打算被治愈的體素仍然會接受低劑量的光。因此，理想的固化狀態(tài)是一個特征為誘導(dǎo)閾值，在此閾值以下什么也沒有發(fā)生，然后固化程度隨著劑量的變化而強(qiáng)烈上升。自由基光聚合的丙烯酸酯接近這個理想的誘導(dǎo)劑量定義的溶解氧，它作為自由基抑制劑，然后快速聚合的丙烯酸酯功能。此外，如果樹脂渾濁度在交聯(lián)后增加，工件的固化部分可能會分散分配給它在光路中陰影的體素的劑量，特別是在打印程序的最后旋轉(zhuǎn)期間。巰基樹脂在反應(yīng)劑量時表現(xiàn)出更小的轉(zhuǎn)變，并對單體轉(zhuǎn)化和凝膠化提供更大的控制。這些樹脂也表現(xiàn)出高度可調(diào)諧的機(jī)械反應(yīng)，而丙烯酸酯基樹脂提供很少或沒有可調(diào)諧性。然而，巰基光樹脂的誘導(dǎo)閾值會受到輻照度的影響。這種操作凝膠化的額外方法可能允許對工件幾何形狀進(jìn)行更精細(xì)的控制，但由于光源操作功率的額外限制，它也會使工藝升級復(fù)雜化。

在此，研究者展示了丙烯酸酯和環(huán)氧單體的混合溶液，可以在雙色TVP裝置中固化，以實現(xiàn)內(nèi)部力學(xué)性能的高精度控制。TVP擅長于將預(yù)先設(shè)定好的光照劑量，傳遞到3D中的特定點。當(dāng)在多色模式下工作時，TVP指定每個體素的不同波長之間的劑量比，當(dāng)使用上述的正交聚合時，它轉(zhuǎn)換為體素逐個體素的化學(xué)和機(jī)械特性定制。將環(huán)氧單體引入到丙烯酸酯樹脂中，也改變了其光響應(yīng)的非線性，而不影響由自由基抑制劑濃度設(shè)定的固化閾值，為提高TVP打印輸出的幾何保真度提供了額外的可調(diào)性。

圖1 在拓?fù)潴w積3D打印中，兩個光源的協(xié)調(diào)賦予了定制工件內(nèi)部力學(xué)性能空間變化的高度自由度。

圖2 剛度可以在復(fù)雜形狀的工件和所有三個笛卡爾方向上控制。

圖3 在DCTVP中，可實現(xiàn)的剛度對比受到自由基聚合固化閾值的限制，該固化閾值由抑制劑的初始濃度決定。

綜上所述，研究者表明，一個工件具有內(nèi)部梯度的機(jī)械性能，可以產(chǎn)生使用DCTVP。然而，可實現(xiàn)的剛度對比可以限制，如果過度曝光的有害影響成為關(guān)注。目前，通過視覺檢測和Jaccard指數(shù)對印刷品質(zhì)量進(jìn)行實驗評價。此外，如果能在τopt處關(guān)閉自由基聚合，則打印和剛度控制將成為正交的，從而大大拓寬了可實現(xiàn)的性能范圍�？梢圆捎妙愃频牟呗�，將工件固結(jié)限制在投影儀的焦點平面上，這將減少光束集光率對打印分辨率的有害影響。