江南大學：基于高穿透近紅外光固化的可拓展3D打印系統(tǒng)

供稿人：王永輝、連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

墨水直寫(DIW)作為一種基于擠出的3D打印技術(shù)(3DP)，可以不斷地堆疊油墨，從而快速而自由地制造物體。結(jié)合各種DIW油墨，有可能應(yīng)用于不同領(lǐng)域，例如：4D打印、機電性能、生物過程強化，多孔材料，聚合物泡沫、形狀記憶。然而，純粹的熱固化油墨限制了DIW在實現(xiàn)復(fù)雜的3D幾何形狀和功能結(jié)構(gòu)方面的嘗試，且未固化的DIW打印對象尺寸也會因機械性能差而受到限制，因此油墨設(shè)計是其發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。

光聚合油墨因其固化動力學合理、設(shè)備溫和等優(yōu)點，在立體光刻(SLA)、墨水直寫(DLW)、數(shù)字光處理(DLP)、噴墨和DIW的實時固化等多種3D打印技術(shù)中重新受到重視。目前，紫外(UV)和藍光是主要的照射源，可以在空間和光化學上瞬間觸發(fā)光反應(yīng)，從而實現(xiàn)交聯(lián)固化，獲得目標物。盡管紫外線和藍光提供了便利，但是波長較短的光穿透能力較差。

圖1 制造原理圖

江南大學劉仁團隊利用自配制的打印墨水和近紅外(NIR)激光輔助模塊搭建的3D打印系統(tǒng)解決該問題，制造原理見圖1，其模塊化的近紅外(NIR)激光輔助顯著提高了DIW可擴展性，獲得固化直徑4毫米的絲。在光聚合方法中，近紅外光(NIR)在各種介質(zhì)中具有顯著的穿透作用，因此在快速深固化中起著更為顯著的作用。這種方法相比現(xiàn)有UV輔助的墨水直寫技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，將近紅外的有效固化范圍擴展到幾十厘米，并提供了嵌入式書寫能力。此外，證明了它的并行制造能力，可固化多色燈絲和獨立物體；其可拓展優(yōu)勢，使其與其他基于油墨的3D打印技術(shù)集成，具有廣泛的應(yīng)用前景。


參考文獻：
Zhu, J.Z., et al., 3D printing of multi-scalable structures via high penetration near-infrared photopolymerization. Nature Communications, 2020. 11(1).