北工大宋曉艷團(tuán)隊(duì)JMCC綜述：數(shù)字光處理技術(shù)的光學(xué)3D打印的研究進(jìn)展及應(yīng)用

來(lái)源：清新電源

論文第一作者：趙治教授

通訊作者：趙治教授，宋曉艷教授

近年來(lái)，利用數(shù)字光處理技術(shù)（Digital Light Processing）的光學(xué)3D打印方法受到了廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為具有巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)的擠壓堆疊成型技術(shù)不同，光學(xué)3D打印基于液態(tài)前體中的光化學(xué)合成反應(yīng)，具有打印速度快、精度高、打印條件溫和等優(yōu)勢(shì)。本文詳述了數(shù)字光處理打印領(lǐng)域近期的研究前沿?zé)狳c(diǎn)與代表性成果，分析了相關(guān)技術(shù)背后的工作原理，列舉了一些潛在的應(yīng)用方向，并展望了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

內(nèi)容要點(diǎn)

1. 本文系統(tǒng)介紹了數(shù)字光處理打印設(shè)備的工作原理，詳述了打印過(guò)程與光化學(xué)合成反應(yīng)的聯(lián)系，提出按照設(shè)備各部分在光化學(xué)反應(yīng)中扮演的角色劃分功能區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同功能區(qū)域近年涌現(xiàn)的代表性成果做了分類(lèi)，更加清晰地展現(xiàn)了該領(lǐng)域研究發(fā)展的思路與脈絡(luò)。

2. 光學(xué)打印設(shè)備的光源作為化學(xué)反應(yīng)所需能量的來(lái)源，在開(kāi)/關(guān)化學(xué)反應(yīng)、控制反應(yīng)區(qū)域、選擇反應(yīng)類(lèi)型等方面有著重要的作用。近期很多研究改進(jìn)了傳統(tǒng)平面光源的表現(xiàn)，使得光照面積、強(qiáng)度、角度控制更加靈活，降低了光散射。在此基礎(chǔ)上，多光束光源的應(yīng)用使得光學(xué)打印技術(shù)有了革命性的發(fā)展。例如，計(jì)算軸向印刷術(shù)（CAL）和全息成像打印技術(shù)可以在空間中形成強(qiáng)度分布可調(diào)控的三維廣場(chǎng)，從而通過(guò)一次光線照射直接形成所需三維器件，真正實(shí)現(xiàn)了“3D”打印。通過(guò)運(yùn)用多顏色光束疊加，可以根據(jù)反應(yīng)物的化學(xué)性質(zhì)選擇性地引發(fā)指定的光反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多材料打印與終止特定區(qū)域材料成型。

3. 打印平臺(tái)包含了前體容器和可活動(dòng)的機(jī)械部件，是反應(yīng)環(huán)境的控制者。最新的打印平臺(tái)可以在程序控制下自動(dòng)切換前體種類(lèi)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料打印。通過(guò)在容器底部運(yùn)用不易被易附著的材料，可以避免打印的器件粘在容器壁上，使得連續(xù)打印成為可能。最近，很多研究者在打印平臺(tái)上增加了電極、磁感線圈等裝置，控制容器內(nèi)部的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)異性材料的打印。

4. 打印前體的配方是光學(xué)打印的核心，決定了可打印材料的種類(lèi)。這方面的研究最近取得了很大的進(jìn)展。通過(guò)化學(xué)修飾丙烯酰基化合物、環(huán)氧基化合物和硫醇-烯烴體系等傳統(tǒng)可光聚材料，誕生了一大批新型配方。同時(shí)，基于光氧化還原反應(yīng)的金屬材料成功打印也使得DLP技術(shù)的應(yīng)用范圍得到了極大增強(qiáng)。

5. 光學(xué)打印具有廣泛的應(yīng)用前景，可以用于制備仿生器件、電化學(xué)傳感器、柔性器件與高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料等。通過(guò)使用環(huán)境響應(yīng)性材料，還可以制備多種智能材料。

總結(jié)與展望

以DLP技術(shù)為核心的光學(xué)打印將材料制備推向了一個(gè)新的高度。這種打印模式可以同時(shí)控制材料形貌與物相組成，從而生產(chǎn)許多傳統(tǒng)技術(shù)難以加工制備的產(chǎn)品與器件�？梢灶A(yù)見(jiàn)地，在今后的發(fā)展中，這種先進(jìn)的光學(xué)打印技術(shù)必將不斷進(jìn)化，推動(dòng)材料科學(xué)領(lǐng)域與制造業(yè)更多革命性的進(jìn)步。我們預(yù)期，未來(lái)DLP打印技術(shù)的突破很可能發(fā)生在如下兩個(gè)方向。

首先，光學(xué)分辨率的極限可以達(dá)到百納米量級(jí)，而現(xiàn)有的光學(xué)打印分辨率大都停留在10微米量級(jí)。通過(guò)改進(jìn)光學(xué)元件、運(yùn)用短波光源、減慢反應(yīng)物擴(kuò)散、利用抑制劑降低副反應(yīng)速率等方式，光學(xué)打印的分辨率很可能在未來(lái)接近或達(dá)到百納米量級(jí)，使得加工更加精密的器件成為可能。

此外，無(wú)機(jī)材料的打印一直是光學(xué)打印的短板。利用氧化還原反應(yīng)打印金屬材料為開(kāi)發(fā)無(wú)機(jī)前體配方提供了一種新的思路。在未來(lái)，通過(guò)耦聯(lián)數(shù)個(gè)光化學(xué)反應(yīng)，越來(lái)越多的無(wú)機(jī)材料將可能被直接打印�，F(xiàn)階段已有多種金屬材料的前體配方被成功開(kāi)發(fā)，故此我們相信合金類(lèi)材料的光學(xué)打印應(yīng)該會(huì)很快變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。


文獻(xiàn)信息

Zhi Zhao*, Xiaoxiao Tian, Xiaoyan Song* Journal of Materials Chemistry C

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TC03548C

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