南加州大學(xué)陳勇教授最新《Small》，聚焦光固化混合多材料3D打印

陳勇，南加州大學(xué)宇航和機(jī)械工程、工業(yè)和系統(tǒng)工程系教授，長(zhǎng)期從事微觀尺度和介觀尺度的增材制造（3D打印）研究。在Nature Communications、Advanced Materials 和Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表論文190多篇，并擁有20多項(xiàng)美國(guó)專利。并獲得美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的早期職業(yè)發(fā)展(NSF-CAREER）獎(jiǎng)、美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)和服務(wù)獎(jiǎng)、以及美國(guó)制造工程師協(xié)會(huì)的杰出青年制造工程師獎(jiǎng)等。目前任美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)會(huì)士，多次擔(dān)任國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)主席，并榮獲主要設(shè)計(jì)、制造學(xué)術(shù)期刊及大會(huì)的最佳論文獎(jiǎng)。

大桶光聚合工藝（VPP）和墨水直寫(xiě)技術(shù)（DIW）等三維（3D）打印方法以高分辨率和多材料打印能力著稱。近日，來(lái)自美國(guó)南加州大學(xué)的陳勇教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了光固化混合多材料3D打印的相關(guān)研究。研究成果以“Hybrid Multimaterial 3D Printing Using Photocuring-While-Dispensing”為題于9月8日發(fā)表在《Small》上。

本文介紹了一種新型混合三維打印技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合VPP和DIW工藝的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)和器件的多材料和高分辨率打印。該方法通過(guò)注射器將液態(tài)材料加載入光固化基質(zhì)材料中，然后使用Galvano鏡控制激光束選擇性光固化液態(tài)材料或周圍的基質(zhì)材料。激光束掃描和注射器注入同步進(jìn)行，并設(shè)定延遲時(shí)間，以控制液體擴(kuò)散和原位固定。通過(guò)使用VPP和DIW技術(shù)可用各種材料制作復(fù)雜的螞蟻和車輪模型，展示該方法的多功能性。與傳統(tǒng)多材料三維打印方法相比，該光固化同步分配策略具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如可以整合各種材料（無(wú)論其光可控性和粘度如何），并能制造出具有復(fù)雜幾何形狀和高分辨率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。未來(lái)這種多材料三維打印工藝將應(yīng)用于更多領(lǐng)域。



本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)描述

1. 多材料擴(kuò)散表征

2. 層間粘合的多重曝光機(jī)制

3. 工藝示范和特性分析

4. 功能性異質(zhì)材料

圖1 實(shí)驗(yàn)流程及機(jī)制示意圖

本文使用自下而上的VPP配置，在打印過(guò)程中讓激光束不受阻礙進(jìn)入擠出的材料軌跡。圖1顯示所開(kāi)發(fā)的混合三維打印方法的原理，該方法在單一打印系統(tǒng)中集成兩種增材制造（AM）技術(shù)。這種混合打印機(jī)由一臺(tái)自下而上的VPP打印機(jī)和一臺(tái)三軸DIW打印機(jī)組成。將噴嘴尖端嵌入含有光固化樹(shù)脂的基質(zhì)材料容器中，以便在基質(zhì)材料內(nèi)部分配功能材料。同時(shí)，在材料槽下方安裝紫外激光掃描系統(tǒng)。在Galvano鏡的引導(dǎo)下，激光束可動(dòng)態(tài)掃描材料槽底面上的圖像圖案。對(duì)于每一層，噴嘴尖端噴射材料，同時(shí)激光在噴嘴尖端工具路徑后跟蹤，以對(duì)新噴射的光固化材料進(jìn)行光固化，或?qū)Ψ枪夤袒�材料進(jìn)行原位固定。將非光固化材料固定在基體材料內(nèi)。基質(zhì)材料在周圍區(qū)域光固化后，已分配的材料將粘附在液體材料或基質(zhì)材料的基底膜上。然后，構(gòu)建平臺(tái)將切換到當(dāng)前已分配層的上方位置，并下降到在已構(gòu)建層與材料層基底表面之間形成層厚間隙的位置。使用掩膜投影圖像或掃描激光對(duì)當(dāng)前構(gòu)建層進(jìn)行曝光后，含有DIW和VPP材料的當(dāng)前層將與先前構(gòu)建的層粘合，并與底膜分離。這一過(guò)程逐層重復(fù)，直到三維部件的所有層都制作完成。

圖2 多重曝光法確保層與層之間充分粘合

為了在打印過(guò)程中通過(guò)激光掃描和點(diǎn)膠接觸擠出的材料，本文采用自下而上的方法，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型的每一層打印到基底膜上。當(dāng)當(dāng)前層中的所有點(diǎn)膠材料都固定在基底膜表面后，再將打印層轉(zhuǎn)移到之前構(gòu)建的層上。為確保多層打印過(guò)程的順利進(jìn)行，每一層的制作都有兩個(gè)關(guān)鍵要求：（1）噴嘴尖端分配的材料將固定在基底膜上，當(dāng)帶有先前構(gòu)建層的打印平臺(tái)向下移動(dòng)接近當(dāng)前層時(shí)，當(dāng)前層不會(huì)移動(dòng)；（2）當(dāng)前層牢固的與先前固化的層結(jié)合，以繼續(xù)基于層的打印過(guò)程。本文提出了一種多重曝光方法，通過(guò)分別考慮兩種情況來(lái)滿足上述要求。（1）如果DIW材料與基體材料具有類似光固化活性，采用雙曝光機(jī)制將當(dāng)前分配層從底膜轉(zhuǎn)移到先前固化的層上，如圖2a-c所示。首先，向激光掃描系統(tǒng)提供低功率輸入，在此過(guò)程中，薄膜表面的點(diǎn)膠痕跡會(huì)被光固化成凝膠狀，如圖2a所示。接下來(lái)，打印平臺(tái)向下移動(dòng)到當(dāng)前圖層位置。如圖2b所示，使用相對(duì)較高能量輸入進(jìn)行第二次曝光，以完全固化當(dāng)前凝膠層，使其能夠牢固附著到之前固化的層上。當(dāng)前層和之前層之間的化學(xué)鍵合力強(qiáng)于當(dāng)前層和基底膜表面之間的附著力，類似于傳統(tǒng)自下而上的VPP工藝。因此，打印平臺(tái)可以向上移動(dòng)，將當(dāng)前層與基底膜分開(kāi)，如圖2c所示。（2）如果DIW基質(zhì)是非光固化的，如導(dǎo)電油墨、液態(tài)金屬或磁性材料，則采用三重曝光機(jī)制。圖2d-g展示了這一用于3D打印多功能材料的過(guò)程。總之，光固化和非光固化材料使用上述多重曝光方法均可成功進(jìn)行高精度、多材料打印。

圖3 3D打印多材料水晶螞蟻

為證明所開(kāi)發(fā)的混合3D打印工藝的有效性，本文首先打印了一只封閉在立方體中的三維螞蟻，其靈感來(lái)源于自然界中的琥珀。三維數(shù)字模型被切割成多個(gè)厚度為100 μm的二維層面。每一層都轉(zhuǎn)換成G代碼工具路徑。完成準(zhǔn)備工作后，開(kāi)始打印過(guò)程，將點(diǎn)膠針頭插入透明基質(zhì)材料的容器中，確保點(diǎn)膠針頭與底面之間有一層厚度的間隙。使用預(yù)先設(shè)定的G代碼工具路徑在基底表面繪制二維切片層。在光固化同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)膠的3D打印過(guò)程中，由于當(dāng)前層的頂面非常平整，因此當(dāng)前層和之前構(gòu)建層之間可能會(huì)殘留少量基質(zhì)材料。如圖3g所示，當(dāng)被擠出的材料在沒(méi)有任何約束情況下從分配器噴嘴頂端流出時(shí)，會(huì)形成一個(gè)圓柱形；多條圓柱形線相互疊加，在頂面形成一個(gè)不平坦的平面。然而，如圖4f所示，之前固化層的底面與材料槽中基底薄膜接觸，表面質(zhì)量相同。因此，新固化層的底面是平的，由基底表面確定。夾在先前構(gòu)建層和當(dāng)前層之間的液態(tài)基質(zhì)材料還可作為粘合劑，在第二次曝光時(shí)將當(dāng)前層牢固粘附到先前構(gòu)建層上。在本案例中，研究人員選擇在每一層三維螞蟻周圍固化一種方形基質(zhì)材料，以保護(hù)精密結(jié)構(gòu)并支撐其懸空結(jié)構(gòu)，如圖4f所示。多層制造過(guò)程包括在點(diǎn)膠和光固化目標(biāo)材料之間反復(fù)切換，然后進(jìn)行第二次曝光，將當(dāng)前層轉(zhuǎn)移到先前構(gòu)建的層上。

圖4 3D打印具有不同功能的多材料部件

功能性異質(zhì)材料經(jīng)常用于軟機(jī)器人、可穿戴設(shè)備和柔性傳感器等領(lǐng)域。人們對(duì)使用光固化和非光固化材料三維打印具有不同剛度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)越來(lái)越感興趣。本文的混合三維打印方法特別適用于多材料零件，這種零件需要VPP以高精度和高速度精細(xì)化零件的復(fù)雜幾何形狀，并使用DIW嵌入更簡(jiǎn)單形狀的功能材料，以增強(qiáng)零件性能。（1）功能分級(jí)材料：利用所構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)設(shè)計(jì)填充圖案，制造出不同比例硬質(zhì)材料和軟質(zhì)材料的拉伸棒，以實(shí)現(xiàn)三維打印多材料的可調(diào)剛度。如圖4a所示。（2）兩種光固化材料的整合：為展示利用不同異質(zhì)材料制作多材料部件的能力，研究人員打印了一個(gè)3D車輪，在不同區(qū)域使用不同硬度的材料。圖4g中的紅色表示分配給輪輞的硬質(zhì)材料，由DIW的G代碼工具路徑引導(dǎo)的移動(dòng)分配器進(jìn)行分配。（3）非光固化材料與光固化材料的結(jié)合：使用兩種光固化樹(shù)脂（軟質(zhì)和硬質(zhì)）和一種非光固化導(dǎo)電材料對(duì)混合三維打印工藝進(jìn)行測(cè)試，以制造帶有柔性傳感器的可穿戴設(shè)備。如圖4l所示，設(shè)計(jì)兩種常見(jiàn)的柔性傳感器，即電阻式應(yīng)變傳感器和電容式接觸傳感器。3D打印的電阻式應(yīng)變傳感器將安裝在手指關(guān)節(jié)上，以測(cè)量其彎曲角度。電容式傳感器將安裝在手背，作為人機(jī)交互的響應(yīng)按鈕。兩種傳感器都使用了三種材料。



總結(jié)與展望

本研究開(kāi)發(fā)了一種新型混合三維打印工藝，將按需沉積DIW工藝與基于光固化的VPP工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多材料三維打印。克服了兩種AM工藝在制造同質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的局限性。基于VPP的三維打印因樹(shù)脂槽開(kāi)關(guān)和材料污染問(wèn)題限制其多材料打印，而基于DIW的三維打印工藝則因從噴嘴尖端分配材料太慢以及因材料流動(dòng)性難以保持分散幾何形狀而舉步維艱。本文開(kāi)發(fā)的混合三維打印工藝采用邊光固化邊點(diǎn)膠的策略解決這些局限性，從而形成一種多功能三維打印工藝，可以使用各種材料，構(gòu)建具有復(fù)雜形狀和精細(xì)特征的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種混合工藝的分辨率在很大程度上受基于噴嘴的DIW工藝限制。擴(kuò)散測(cè)試表明，與傳統(tǒng)的空氣噴涂相比，基于液態(tài)樹(shù)脂的材料噴涂方法具有獨(dú)特的性能和優(yōu)勢(shì)，在相同打印參數(shù)下可獲得更高的DIW分辨率。試驗(yàn)還表明，在工具路徑規(guī)劃中定義的點(diǎn)膠噴嘴尖端與掃描激光光斑之間的安全距離可以避免噴嘴尖端堵塞問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)、制造并測(cè)試了多個(gè)案例，驗(yàn)證了多重曝光機(jī)制，并展示這種多材料三維打印工藝所能實(shí)現(xiàn)的功能�？傊�，多材料三維打印工藝可用于制造更復(fù)雜、更精密的結(jié)構(gòu)，甚至是用于生物醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域的集成設(shè)備。



文章來(lái)源：

https://doi.org/10.1002/smll.202302405