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中科院化學(xué)所實(shí)現(xiàn)單液滴3D打印技術(shù) :一滴樹(shù)脂打印一顆牙 

2020-10-13 11:28
在最先進(jìn)的3D打印中,一滴樹(shù)脂滴在被稱(chēng)為“固化界面”的透明板上,準(zhǔn)備好接受已輸入好設(shè)計(jì)參數(shù)的紫外光。隨著紫外光的投影,樹(shù)脂一層一層變成固態(tài),一顆牙齒逐漸在成型平臺(tái)下顯現(xiàn),光滑、潔白。
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一滴成型的3D牙齒(課題組提供視頻截圖)

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員宋延林和副研究員吳磊共同完成了這一令人驚嘆的3D打印,他們提出單墨滴3D打印策略,通過(guò)引入可退浸潤(rùn)的“三相接觸線”,顯著提高了3D打印的精度和穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)一滴成型。日前,這項(xiàng)研究在《自然-通訊》(Nature Communications)上發(fā)表。論文第一作者為博士生張虞。
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論文截圖神奇的“三相接觸線”作為3D打印領(lǐng)域的前沿技術(shù),單墨滴3D打印的實(shí)現(xiàn)仍需突破許多科學(xué)問(wèn)題?!霸趯?duì)樹(shù)脂這一類(lèi)光固化材料進(jìn)行3D打印時(shí),我們發(fā)現(xiàn)其表面往往不光滑?!彼窝恿指嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,液體樹(shù)脂不僅會(huì)在固化結(jié)構(gòu)的表面殘留,還會(huì)產(chǎn)生凸起或者臺(tái)階結(jié)構(gòu)。

他帶領(lǐng)研究人員從光固化界面的科學(xué)問(wèn)題入手,嘗試破解這一難題。“三相接觸線(TCL)”是一個(gè)核心概念,指的是滴上液滴的固化界面、液體樹(shù)脂及空氣的固-液-氣三相的接觸線,與浸潤(rùn)、黏附和潤(rùn)滑等現(xiàn)象緊密相關(guān)。而實(shí)現(xiàn)單墨滴3D打印的關(guān)鍵是三相接觸線的可控回縮。

2018年,受豬籠草表面被束縛的液體可以降低對(duì)物質(zhì)的粘附的啟發(fā),他們利用超潤(rùn)滑界面來(lái)減少固態(tài)樹(shù)脂與固化界面之間的粘附,使液滴接觸這類(lèi)表面時(shí)很容易滑移。

在最新的這項(xiàng)研究中,他們進(jìn)一步對(duì)氟化石英、超雙疏和超潤(rùn)滑等三種固化界面與液體樹(shù)脂、固態(tài)樹(shù)脂之間的粘附規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。最后發(fā)現(xiàn),只有液體樹(shù)脂與固態(tài)樹(shù)脂的粘附力大于固化界面與液體樹(shù)脂的粘附力,同時(shí)后者還要大于固化界面與固態(tài)樹(shù)脂粘附力時(shí),才能實(shí)現(xiàn)單墨滴3D打印。

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光固化界面對(duì)單墨滴3D打印的影響(課題組供圖)

        精準(zhǔn)打印不浪費(fèi)墨滴

基于光固化的連續(xù)3D打印技術(shù)已成為構(gòu)造3D結(jié)構(gòu)最有前途的方法之一,但是其精度和材料利用率在連續(xù)快速打印過(guò)程中受到限制。并且在高速打印時(shí),樹(shù)脂紫外固化過(guò)程的放熱會(huì)讓打印過(guò)程變得不穩(wěn)定,導(dǎo)致樹(shù)脂殘留,降低3D打印的分辨率。

最新發(fā)表的論文中,單墨滴3D打印技術(shù)能夠克服這一問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的按需打印。實(shí)驗(yàn)中,研究人員使用三個(gè)單獨(dú)的樹(shù)脂液滴成功實(shí)現(xiàn)了臼齒、門(mén)齒以及犬齒的打印,證實(shí)新方法具有結(jié)構(gòu)可控性。

吳磊向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹:“我們看到,單墨滴可完全轉(zhuǎn)化為所設(shè)計(jì)的牙齒結(jié)構(gòu),并且具有邊緣完整性?!?br />
精準(zhǔn)打印帶來(lái)的另一個(gè)好處則是材料利用率的提高。實(shí)驗(yàn)中,在打印24毫米長(zhǎng)的圓柱形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)時(shí),液態(tài)樹(shù)脂利用率達(dá)99.6%,僅有0.4%的液態(tài)樹(shù)脂殘留。這遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光固化連續(xù)3D打印技術(shù)50%左右的利用率。

      在業(yè)內(nèi)專(zhuān)家看來(lái),這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了最高材料利用率的高精度3D打印。

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單墨滴3D打印牙齒結(jié)構(gòu)(課題組供圖)

        應(yīng)用前景可期

多年來(lái),宋延林課題組一直在應(yīng)用需求牽引下開(kāi)展基礎(chǔ)研究。“我們圍繞應(yīng)用中常見(jiàn)的幾類(lèi)3D打印材料進(jìn)行了基礎(chǔ)研究,包括導(dǎo)電的金屬材料、光固化的高分子材料以及無(wú)機(jī)納米材料等。”宋延林表示,“在噴墨打印墨滴控制和功能界面操控液體行為領(lǐng)域取得了系列進(jìn)展?!?br />
近兩年,他們通過(guò)圖案化浸潤(rùn)性表面實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴撞擊過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控,為液體表面能的利用和液滴碰撞行為的精確調(diào)控提供了全新的思路;提出微結(jié)構(gòu)浸潤(rùn)性和幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則,實(shí)現(xiàn)流體間界面的可編程圖案化,對(duì)發(fā)展微型器件的制備新方法上具有重要意義;創(chuàng)造了利用模板控制液體限域控制顆粒組裝圖案化的新方法,成為納米印刷技術(shù)在先進(jìn)制造領(lǐng)域的突破。

最新發(fā)表論文中的單墨滴3D打印技術(shù)則有望為可控、按需制備3D結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了新途徑?!俺搜例X之外,這項(xiàng)技術(shù)還可以用在隱型眼鏡等精細(xì)產(chǎn)品的制造上?!彼窝恿种赋觥?br />
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