供稿人：侯虎、連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-01-28
增材制造（AM）也被稱為3D打印，在過去十年中受到了學術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注，為未來數(shù)字化工業(yè)開辟了新的機遇。還原光聚合3D打印依賴于光照下樹脂配方的局部固化，可分為兩種：立體光刻SLA和數(shù)字光處理DLP，其通過一次打印一層來制造結(jié)構(gòu)。DLP技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，但通常僅限于單一材料的打印。面對日益增長的高功能性和模仿生物結(jié)構(gòu)的需求，近年來開始研究多材料打印領(lǐng)域，這種技術(shù)可以使具有不同化學、機械、 光學等特性的材料集中到一個對象中，充分利用材料并發(fā)揮材料的性能。但通過DLP制造多材料零件的一個突出問題是材料屬性只能沿著Z軸改變，而不能在X、Y軸上進行改變，且在打印過程中需要進行材料的更換、打印零件的清洗等步驟，耗費時間較長且打印難度較高。
研究發(fā)現(xiàn)，光致變色染料的可逆吸收特性可以用于局部激活或滅活不同波長的光反應(yīng)，通過使用兩個正交光交聯(lián)反應(yīng)，可以控制空間中軟疇（丙烯酸酯單體在530nm的自由基固化）和硬疇（樹脂在470nm的自由基和陽離子同時固化形成互穿網(wǎng)絡(luò)）的形成。將這種技術(shù)應(yīng)用于DLP 3D打印中，便可實現(xiàn)同種原材料打印出局部具有不同特性的零件。
樹脂配方由低分子量丙烯酸酯、Irgacure 819作為可見光吸收自由基光引發(fā)劑、3,4-環(huán)氧環(huán)己基甲基-3,4-環(huán)氧環(huán)己烷羧酸鹽和三苯磺酸鹽作為可見光區(qū)透明的陽離子光引發(fā)劑組成。然后使用自制的DLP設(shè)備進行多材料結(jié)構(gòu)的打印，該設(shè)備包含兩個對齊的投影儀，可在可見光和紫外線下工作，包含兩個光引擎，工作在405nm和365 nm，光強度為8 mW/cm2。通過可見光照射，選擇性地固化丙烯酸酯樹脂，而在紫外線照射下，固化丙烯酸酯和環(huán)氧單體，獲得具有更高交聯(lián)密度和相關(guān)剛度的互穿網(wǎng)絡(luò)。
圖1 打印原理
圖2所示為官能團的轉(zhuǎn)換隨波長和照射時間的變化。在兩種光源不同時的照射下，發(fā)生不同的反應(yīng)，且兩者之間幾乎不產(chǎn)生任何反應(yīng)干涉。通過雙波長打印制作的測試樣件在120℃下烘烤兩小時后，試件在同負載下的彎曲行為（6g金屬螺釘）。
圖2 官能團的轉(zhuǎn)換隨波長和照射時間的變化
這種技術(shù)便于引入軟致動器或者軟機器人系統(tǒng)（如抓手、軟機器人運動），可用于制造功能型矯形器或假肢，包括于人體接觸的軟區(qū)和確保設(shè)備結(jié)構(gòu)堅固性的硬區(qū)，可以進行一個雙固化樹脂配方庫，以涵蓋廣泛的材料特性。
圖3 試樣打印