南加州大學陳勇教授最新《Small》，聚焦光固化混合多材料3D打印

陳勇，南加州大學宇航和機械工程、工業(yè)和系統(tǒng)工程系教授，長期從事微觀尺度和介觀尺度的增材制造（3D打印）研究。在Nature Communications、Advanced Materials 和Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表論文190多篇，并擁有20多項美國專利。并獲得美國國家自然科學基金會的早期職業(yè)發(fā)展(NSF-CAREER）獎、美國機械工程師學會的領導和服務獎、以及美國制造工程師協(xié)會的杰出青年制造工程師獎等。目前任美國機械工程師協(xié)會會士，多次擔任國際學術大會主席，并榮獲主要設計、制造學術期刊及大會的最佳論文獎。

大桶光聚合工藝（VPP）和墨水直寫技術（DIW）等三維（3D）打印方法以高分辨率和多材料打印能力著稱。近日，來自美國南加州大學的陳勇教授團隊進行了光固化混合多材料3D打印的相關研究。研究成果以“Hybrid Multimaterial 3D Printing Using Photocuring-While-Dispensing”為題于9月8日發(fā)表在《Small》上。

本文介紹了一種新型混合三維打印技術，該技術結合VPP和DIW工藝的優(yōu)勢，可實現(xiàn)功能結構和器件的多材料和高分辨率打印。該方法通過注射器將液態(tài)材料加載入光固化基質(zhì)材料中，然后使用Galvano鏡控制激光束選擇性光固化液態(tài)材料或周圍的基質(zhì)材料。激光束掃描和注射器注入同步進行，并設定延遲時間，以控制液體擴散和原位固定。通過使用VPP和DIW技術可用各種材料制作復雜的螞蟻和車輪模型，展示該方法的多功能性。與傳統(tǒng)多材料三維打印方法相比，該光固化同步分配策略具有諸多優(yōu)勢，例如可以整合各種材料（無論其光可控性和粘度如何），并能制造出具有復雜幾何形狀和高分辨率的異質(zhì)結構。未來這種多材料三維打印工藝將應用于更多領域。



本文從以下幾個方面進行詳細描述

1. 多材料擴散表征

2. 層間粘合的多重曝光機制

3. 工藝示范和特性分析

4. 功能性異質(zhì)材料

圖1 實驗流程及機制示意圖

本文使用自下而上的VPP配置，在打印過程中讓激光束不受阻礙進入擠出的材料軌跡。圖1顯示所開發(fā)的混合三維打印方法的原理，該方法在單一打印系統(tǒng)中集成兩種增材制造（AM）技術。這種混合打印機由一臺自下而上的VPP打印機和一臺三軸DIW打印機組成。將噴嘴尖端嵌入含有光固化樹脂的基質(zhì)材料容器中，以便在基質(zhì)材料內(nèi)部分配功能材料。同時，在材料槽下方安裝紫外激光掃描系統(tǒng)。在Galvano鏡的引導下，激光束可動態(tài)掃描材料槽底面上的圖像圖案。對于每一層，噴嘴尖端噴射材料，同時激光在噴嘴尖端工具路徑后跟蹤，以對新噴射的光固化材料進行光固化，或?qū)Ψ枪夤袒�材料進行原位固定。將非光固化材料固定在基體材料內(nèi)。基質(zhì)材料在周圍區(qū)域光固化后，已分配的材料將粘附在液體材料或基質(zhì)材料的基底膜上。然后，構建平臺將切換到當前已分配層的上方位置，并下降到在已構建層與材料層基底表面之間形成層厚間隙的位置。使用掩膜投影圖像或掃描激光對當前構建層進行曝光后，含有DIW和VPP材料的當前層將與先前構建的層粘合，并與底膜分離。這一過程逐層重復，直到三維部件的所有層都制作完成。

圖2 多重曝光法確保層與層之間充分粘合

為了在打印過程中通過激光掃描和點膠接觸擠出的材料，本文采用自下而上的方法，將計算機輔助設計（CAD）模型的每一層打印到基底膜上。當當前層中的所有點膠材料都固定在基底膜表面后，再將打印層轉(zhuǎn)移到之前構建的層上。為確保多層打印過程的順利進行，每一層的制作都有兩個關鍵要求：（1）噴嘴尖端分配的材料將固定在基底膜上，當帶有先前構建層的打印平臺向下移動接近當前層時，當前層不會移動；（2）當前層牢固的與先前固化的層結合，以繼續(xù)基于層的打印過程。本文提出了一種多重曝光方法，通過分別考慮兩種情況來滿足上述要求。（1）如果DIW材料與基體材料具有類似光固化活性，采用雙曝光機制將當前分配層從底膜轉(zhuǎn)移到先前固化的層上，如圖2a-c所示。首先，向激光掃描系統(tǒng)提供低功率輸入，在此過程中，薄膜表面的點膠痕跡會被光固化成凝膠狀，如圖2a所示。接下來，打印平臺向下移動到當前圖層位置。如圖2b所示，使用相對較高能量輸入進行第二次曝光，以完全固化當前凝膠層，使其能夠牢固附著到之前固化的層上。當前層和之前層之間的化學鍵合力強于當前層和基底膜表面之間的附著力，類似于傳統(tǒng)自下而上的VPP工藝。因此，打印平臺可以向上移動，將當前層與基底膜分開，如圖2c所示。（2）如果DIW基質(zhì)是非光固化的，如導電油墨、液態(tài)金屬或磁性材料，則采用三重曝光機制。圖2d-g展示了這一用于3D打印多功能材料的過程�？傊�，光固化和非光固化材料使用上述多重曝光方法均可成功進行高精度、多材料打印。

圖3 3D打印多材料水晶螞蟻

為證明所開發(fā)的混合3D打印工藝的有效性，本文首先打印了一只封閉在立方體中的三維螞蟻，其靈感來源于自然界中的琥珀。三維數(shù)字模型被切割成多個厚度為100 μm的二維層面。每一層都轉(zhuǎn)換成G代碼工具路徑。完成準備工作后，開始打印過程，將點膠針頭插入透明基質(zhì)材料的容器中，確保點膠針頭與底面之間有一層厚度的間隙。使用預先設定的G代碼工具路徑在基底表面繪制二維切片層。在光固化同時進行點膠的3D打印過程中，由于當前層的頂面非常平整，因此當前層和之前構建層之間可能會殘留少量基質(zhì)材料。如圖3g所示，當被擠出的材料在沒有任何約束情況下從分配器噴嘴頂端流出時，會形成一個圓柱形；多條圓柱形線相互疊加，在頂面形成一個不平坦的平面。然而，如圖4f所示，之前固化層的底面與材料槽中基底薄膜接觸，表面質(zhì)量相同。因此，新固化層的底面是平的，由基底表面確定。夾在先前構建層和當前層之間的液態(tài)基質(zhì)材料還可作為粘合劑，在第二次曝光時將當前層牢固粘附到先前構建層上。在本案例中，研究人員選擇在每一層三維螞蟻周圍固化一種方形基質(zhì)材料，以保護精密結構并支撐其懸空結構，如圖4f所示。多層制造過程包括在點膠和光固化目標材料之間反復切換，然后進行第二次曝光，將當前層轉(zhuǎn)移到先前構建的層上。

圖4 3D打印具有不同功能的多材料部件

功能性異質(zhì)材料經(jīng)常用于軟機器人、可穿戴設備和柔性傳感器等領域。人們對使用光固化和非光固化材料三維打印具有不同剛度的異質(zhì)結構越來越感興趣。本文的混合三維打印方法特別適用于多材料零件，這種零件需要VPP以高精度和高速度精細化零件的復雜幾何形狀，并使用DIW嵌入更簡單形狀的功能材料，以增強零件性能。（1）功能分級材料：利用所構建的實驗裝置，通過設計填充圖案，制造出不同比例硬質(zhì)材料和軟質(zhì)材料的拉伸棒，以實現(xiàn)三維打印多材料的可調(diào)剛度。如圖4a所示。（2）兩種光固化材料的整合：為展示利用不同異質(zhì)材料制作多材料部件的能力，研究人員打印了一個3D車輪，在不同區(qū)域使用不同硬度的材料。圖4g中的紅色表示分配給輪輞的硬質(zhì)材料，由DIW的G代碼工具路徑引導的移動分配器進行分配。（3）非光固化材料與光固化材料的結合：使用兩種光固化樹脂（軟質(zhì)和硬質(zhì)）和一種非光固化導電材料對混合三維打印工藝進行測試，以制造帶有柔性傳感器的可穿戴設備。如圖4l所示，設計兩種常見的柔性傳感器，即電阻式應變傳感器和電容式接觸傳感器。3D打印的電阻式應變傳感器將安裝在手指關節(jié)上，以測量其彎曲角度。電容式傳感器將安裝在手背，作為人機交互的響應按鈕。兩種傳感器都使用了三種材料。



總結與展望

本研究開發(fā)了一種新型混合三維打印工藝，將按需沉積DIW工藝與基于光固化的VPP工藝相結合，實現(xiàn)多材料三維打印。克服了兩種AM工藝在制造同質(zhì)結構方面的局限性。基于VPP的三維打印因樹脂槽開關和材料污染問題限制其多材料打印，而基于DIW的三維打印工藝則因從噴嘴尖端分配材料太慢以及因材料流動性難以保持分散幾何形狀而舉步維艱。本文開發(fā)的混合三維打印工藝采用邊光固化邊點膠的策略解決這些局限性，從而形成一種多功能三維打印工藝，可以使用各種材料，構建具有復雜形狀和精細特征的異質(zhì)結構。這種混合工藝的分辨率在很大程度上受基于噴嘴的DIW工藝限制。擴散測試表明，與傳統(tǒng)的空氣噴涂相比，基于液態(tài)樹脂的材料噴涂方法具有獨特的性能和優(yōu)勢，在相同打印參數(shù)下可獲得更高的DIW分辨率。試驗還表明，在工具路徑規(guī)劃中定義的點膠噴嘴尖端與掃描激光光斑之間的安全距離可以避免噴嘴尖端堵塞問題。本文設計、制造并測試了多個案例，驗證了多重曝光機制，并展示這種多材料三維打印工藝所能實現(xiàn)的功能�？傊�，多材料三維打印工藝可用于制造更復雜、更精密的結構，甚至是用于生物醫(yī)學和其他領域的集成設備。



文章來源：

https://doi.org/10.1002/smll.202302405