制造高功能梯度的灰度數(shù)字光處理3D打印技術(shù)

來源：EngineeringForLife ，作者EFL

3D打印的應(yīng)用已經(jīng)從快速成型逐漸擴(kuò)展到組織工程、電子器件和軟體機(jī)器人等多個方面。但目前大多數(shù)3D打印方法只能打印具有單一材料屬性或多個離散材料屬性的零件，而無法控制復(fù)雜的機(jī)械梯度。正因為如此，在單次打印過程中實現(xiàn)具有材料特性可調(diào)的功能梯度材料的3D打印變得越來越重要。

發(fā)表于Science Advances 期刊的一篇研究論文提出了一種基于DLP 3D打印原理的灰度處理3D打印方法，可進(jìn)行力學(xué)性能可控結(jié)構(gòu)的3D打印。

功能梯度達(dá)3個數(shù)量級
研究論文的題為“Grayscale digital light processing 3D printing forhighly functionally graded materials”。該研究首先通過灰度處理將打印圖案進(jìn)行光固化，從而使特定位置的結(jié)構(gòu)具有定制化的力學(xué)特性，然后進(jìn)行第二步熱固化來消除大部分殘留單體并增強(qiáng)性能梯度。通過使用這種方法，可以實現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的定制化分布，其可用作2D和3D晶格、晶胞結(jié)構(gòu)的打印，并可用于超材料的功能化應(yīng)用。

首先，研究人員設(shè)計了一種利用兩步固化混合墨水的打印系統(tǒng)（圖1）。通過使用matlab代碼對切片后每幅圖像進(jìn)行處理，從而根據(jù)所需的屬性生成灰度分布，隨后再對處理成灰度圖案的各個層的圖像進(jìn)行打印。

圖1 通過兩步固化的DLP 3D打印功能梯度材料。

其次，研究人員利用DLP 技術(shù)可以打印空心結(jié)構(gòu)這一優(yōu)點，設(shè)計和制造了多種打印結(jié)構(gòu)，并通過特定的灰度處理來控制打印結(jié)構(gòu)的壓縮變形（圖2）。

圖2 超材料通過灰度處理DLP打印實現(xiàn)多種功能化應(yīng)用。

出于打印材料在不同的驅(qū)動溫度下表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)這一現(xiàn)象（圖3），研究人員對幾種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了DLP 打印制造，結(jié)果顯示在溫度變化后打印結(jié)構(gòu)的形態(tài)也發(fā)生了改變。

圖3 灰度處理DLP打印復(fù)合材料在順序形狀記憶聚合物組件和4D打印中的應(yīng)用。

最后，研究人員通過改變與灰度相關(guān)的漫射率從而使灰度處理圖案可視化(圖4)，打印出的可視化圖案在可見光下不明顯，但在紫外光下可顯示出來，其可通過結(jié)合熒光素的著色功能實現(xiàn)在加密和防偽方面的應(yīng)用。

圖4 通過擴(kuò)散輔助著色對分級材料進(jìn)行加密。

總的來說，該研究提出了一種利用灰度處理的DLP打印技術(shù)，并輔以溫度固化，從而實現(xiàn)了形狀復(fù)雜、功能定制化零件的高精度制造。同時，這種兩步固化策略可以推廣到具有相同化學(xué)概念的其他樹脂材料體系�；叶忍幚鞤LP產(chǎn)生的可廣泛調(diào)節(jié)的機(jī)械梯度為3D打印帶來了新的功能特性組合。

不可忽視的是，該方法仍存在一些急需解決的問題。首先，打印結(jié)構(gòu)的分辨率會受到打印機(jī)、打印材料及打印參數(shù)的影響。其次，所用材料分子結(jié)構(gòu)和打印結(jié)構(gòu)力學(xué)性能之間的關(guān)系需要進(jìn)一步利用納米尺度的機(jī)械測試和建模方法來進(jìn)一步了解。展望未來，灰度處理DLP打印方法在手術(shù)前模型規(guī)劃、軟體機(jī)器人以及防偽等方面的應(yīng)用具有極大的潛力。