神奇的3D打印:如何快速将一滴墨水变成一颗牙齿
发布时间:2020-10-21
出品:科普中国
制作:张虞 (中国科学院化学研究所绿色印刷实验室)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  看过科幻电影《终结者2》的朋友对里面的液态金属机器人T-1000一定印象深刻,在电影中,T-1000的身体是由可还原记忆的液态金属构成,可以在液态和固态中自如转换,被破坏后能够自我还原,受伤或中弹后伤口还能够自动闭合,令人叹为观止!

  

  (图片来源:电影《终结者2》)

  艺术来源于生活,科幻就是人们对未来科技发展的一种幻想。看到如此神奇的机器人,很多科研工作者也坐不住了,有的想到研究液态金属,有的考虑将这种独特的“能力”运用于3D打印。你没看错,就是3D打印,那么如何进行应用呢?下面就为大家揭晓谜题。

单墨滴3D打印,又省材料又可靠

  3D打印是一种以数字模型文件为基础,利用聚合物树脂、金属、陶瓷、纳米复合物等可打印材料,基于逐层打印的方式来构造三维立体结构的技术。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航空航天等多种领域应用广泛。

  在众多3D打印技术中,基于光固化的连续3D打印技术已成为构造3D结构最有前途的方法之一。然而,相比于基于挤出成型的3D打印方法,其材料利用率较低,而且在连续3D打印过程中,液体树脂会不可避免地附着在固化结构的表面,其附着量会随着打印速度和粘度的增加而增加;同时,由于光散射的存在,导致非图案区中的树脂发生额外的固化,从而降低了打印的稳定性和精度。

  为提高材料利用率及打印过程的稳定性,中科院化学所宋延林研究员课题组提出了一种单墨滴3D打印策略,利用界面操作方法就能制备出具有可控形貌的精细3D结构。他们通过在3D打印体系中引入可退浸润的三相接触线(TCL,可显著减少液体树脂在固化结构表面的残留;同时还降低了界面粘附,并且增加了液体内部树脂的流动,可防止高速打印过程中树脂由于持续处于高强度辐照状态下导致的打印结构凸起或台阶结构,从而显著提高3D打印的精度和稳定性,实现一滴成型。这种利用单个墨滴高效构建精细3D结构的策略对于节约墨水材料、按需个性化制备具有重要的意义。研究成果近日发表于《Nature Communications》上(Nat. Commun., 2020, 11, 4685)。

  

  利用该技术打印一颗牙齿(图片来源:作者提供)

“一滴成型”是如何实现的?

       利用单个墨滴就能精确打印出你想要的东西,听上去是不是很神奇。那么这一过程是如何实现的呢?研究人员发现,实现单墨滴3D打印的关键是三相接触线的可控回缩,这主要涉及3D打印体系中三个界面间粘附力值的相对大小:即液体树脂与固化界面的粘附、固体树脂与固化界面的粘附及液体树脂与固体树脂之间的粘附。为研究具有不同界面性质的基底对单墨滴打印过程的影响,研究人员选择了三种不同结构的低粘附基底:光滑的氟化石英基底、具有微纳复合结构的超双疏基底及润滑基底来进行研究。

  在光滑的氟化石英基底上,尽管三相线可以发生回缩,但由于固化树脂与固化界面之间的粘附力大,单墨滴3D打印不能实现;在具有微纳复合结构的超双疏结构基底上,可以实现连续打印。但由于超双疏的产生源于微纳复合结构与液体树脂之间形成的空气层,因此连续打印过程不稳定且打印结构有竖直条纹;在润滑基底上,单墨滴可完全转化为所设计的3D结构,且打印结构具有光滑侧壁。

  研究人员对此现象进行了系统性的研究,得出实现单墨滴3D连续打印需满足的两个条件,即液体树脂与固化树脂间的粘附(γ1)应大于液体树脂与固化界面之间的粘附(γ3),同时液体树脂与固化界面之间的粘附(γ3)应大于固化树脂与固化界面的粘附(γ2),这为单墨滴3D打印的普适性奠定了基础。

  

  光固化界面性质对单墨滴3D打印的影响(图片来源:作者提供)

  研究人员进一步研究了单墨滴3D打印的材料净利用率,即洗净的3D结构的质量与液滴质量的比值。发现随液滴质量的增加,单墨滴材料利用率降低;随着UV投影面积的增加,单墨滴材料利用率增加;随着树脂的三维分布增大或长宽比的增大,单墨滴材料利用率降低,因此可通过以上因素调控单墨滴打印的净利用率,实现一滴成型。

  

  墨滴尺寸和UV图案参数对单墨滴3D打印材料利用率的影响(图片来源:作者提供)

  研究人员基于单墨滴3D打印制备了三种不同的精细牙齿结构,从图中可以看出打印结构表面光滑,且与设计结构具有相同的形貌,可完全与牙齿模型嵌合,也就是说打印结构具有良好的结构可控性和边缘完整性,并具有极高的材料利用率。

  

  单墨滴3D打印牙齿结构(图片来源:作者提供)

  虽然听起来复杂又高深,但3D打印是能切实应用于生活中的、为我们带来便利的一项技术。希望科学家们未来能发明出更多更节能的打印方式,让3D打印更好地造福于我们人类。

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