供稿人:武文澤、高琳 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 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槽，這不僅增加了樹脂成本，還導致樹脂浪費;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的時序圖
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打印效率的重要因素。因此，研究人員進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，這種從單個液滴高效構(gòu)建精細三維結(jié)構(gòu)的策略對于按需三維制造具有重要意義。