供稿人:武文澤、高琳 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-01-05
光固化式3D打印成型工藝已經(jīng)成為構(gòu)建精細(xì)三維結(jié)構(gòu)最有前景的方法之一。但是這種工藝在精度和材料利用率上都存在很大局限性:在材料利用率上，未固化的樹脂在印刷前需要覆蓋整個(gè)槽，這不僅增加了樹脂成本，還導(dǎo)致樹脂浪費(fèi);在打印精度方面，隨著固化結(jié)構(gòu)表面上殘留的樹脂，以及樹脂在激發(fā)光下的連續(xù)照射，會發(fā)生額外固化或打印不穩(wěn)定，從而降低3D打印分辨率。
為此，中科院化學(xué)所的宋延林、吳磊研究了打印過程中三相接觸線（TCL）的后退現(xiàn)象，提出了一種基于樹脂液滴三相接觸線（TCL）的后退特性的單液滴3D打印策略來制造可控的三維結(jié)構(gòu)，極大提高了光固化3D打印的材料利用率。
單液滴連續(xù)光固化打印主要可以分為四個(gè)步驟，如圖1所示，（1）在輻照平面上滴一滴液態(tài)樹脂；（2）成型平面下降，接觸液滴；（3）通過將UV圖案連續(xù)投射到固化界面上并以恒定的速度提升成型面，液體樹脂可固化為顯示的UV圖案；（4）在印刷過程中，樹脂液滴的TCL隨著液體樹脂的消耗而下降。最后，將液滴固化成所需的3D固化結(jié)構(gòu)，且在基板上幾乎沒有殘留物。
圖1 單液滴連續(xù)光固化打印過程的原理圖和相應(yīng)的時(shí)序圖
此外研究人員選擇了三種典型的襯底，即氟化石英(F-石英)襯底、蠟燭煙基超雙疏基襯底和注入潤滑油的聚二甲基硅氧烷(S-PDMS)光滑襯底，以研究固化界面特性對單滴3D打印過程的影響。所有的襯底都能促進(jìn)液滴TCL的后退。但三者存在一定區(qū)別。比較與F-石英襯底和超雙疏水性襯底破裂面與側(cè)壁條紋，S-PDMS襯底是單液滴3D打印的最佳選擇。
材料利用效率是評價(jià)打印效率的重要因素。因此，研究人員進(jìn)一步研究了反映單液滴打印過程中凈材料利用率的干燥結(jié)構(gòu)與初始液體樹脂的重量比。結(jié)果表明，在單液滴3D打印過程中，UV圖案的變化會從本質(zhì)上影響到固化結(jié)構(gòu)上的接觸線形態(tài)和液體樹脂的三維分布，從而決定打印的3D結(jié)構(gòu)的形態(tài)。且具有較高材料利用效率的單液滴3D打印工藝不僅可以減少殘留，還可以提高打印精度。
從材料利用率和打印精度方面來看，這種從單個(gè)液滴高效構(gòu)建精細(xì)三維結(jié)構(gòu)的策略對于按需三維制造具有重要意義。