浙大趙騫/宋吉舟：利用水凝膠分離界面實現(xiàn)光固化快速打印

來源：EngineeringForLife

在投影式光固化（DLP）3D打印技術中，打印材料和投光區(qū)域的層間需要一個分離界面來避免兩部分的過度粘合,。但目前常用的分離方法通常需要復雜的設備或昂貴的消耗品，因此,，需要一種簡單,、經濟、通用的界面分離方法方法來實現(xiàn)光固化打印的大規(guī)模制造,。近期,，來自浙江大學的趙騫團隊聯(lián)合宋吉舟團隊提出了以水凝膠作為分離界面的光固化打印方法，研究人員通過利用該界面在Z軸方向上產生的大幅度可恢復形變,，使打印過程中的材料產生的粘附力降低,，以實現(xiàn)快速打印。相關論文“Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface”發(fā)表在“Nature Communications”雜志上,。

為了構建水凝膠分離界面,，研究人員在投光區(qū)域原位光固化了以丙烯酰胺（AAm）為單體，N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）為交聯(lián)劑的水凝膠層作為分離界面（圖1）,，該界面具有優(yōu)異的透明性,，且與大多數常見的光敏樹脂不混溶。

圖1 水凝膠分離界面的構建

隨后,，研究人員通過力傳感器實時測量分離力,，發(fā)現(xiàn)固化后的水凝膠模量越低，質地越軟,，分離力就越�,。荒�膠層越厚,，打印過程中的應變和響應分離力也會越小,。并通過對比水凝膠分離界面和商用的氟化乙烯丙烯（FEP）膜的分離力大小（圖2）,，說明了水凝膠分離界面在快速打印下的高精度和穩(wěn)定性,。

圖2 分離力的評估以及可打印性

其次，研究人員對比了該方法與PDMS界面分離機理的區(qū)別（圖3）,，發(fā)現(xiàn)與PDMS界面相比水凝膠實現(xiàn)分離的操作窗口要寬得多,，這有利于實現(xiàn)DLP快速打印。

圖3 PDMS和水凝膠分離機理的對比

研究人員為深入了解水凝膠分離界面的基本力學性能,，對其進行了力學建模和分析（圖4）,，進一步證明了在相同界面相互作用特性下，較軟和較厚的水凝膠可提供相對較小的分離力,。

圖4 含有水凝膠界面的打印過程的力學建模和分析

最后,，研究人員使用聚氨酯丙烯酸酯橡膠、形狀記憶聚合物(SMP)等材料打印出了具有多樣化功能的結構（圖5），證明了水凝膠界面對打印樹脂的兼容性,。

圖5 與水凝膠界面兼容的多樣性樹脂打印樣品

綜上所述,，本文將柔軟且具有一定厚度的水凝膠作為打印過程中的分離界面，從而使該方法在打印速度,、樹脂兼容性和打印可靠性等方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢,，該方法可直接集成到商用的DLP打印機中，其有望在大規(guī)模商業(yè)化中得到實際應用,。

參考文獻
Wu, J., Guo, J., Linghu, C. et al. Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface. Nat Commun 12, 6070 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26386-6