佐治亞理工學院齊航教授《AFM》：讓DLP技術實現(xiàn)單墨多色打印

來源: 高分子科學前沿  

數(shù)字光處理（Ditigal light processing, DLP）是一種快速,、高分辨率的增材制造技術：該技術借助紫外投影儀將產(chǎn)品截面圖形投影到液體光敏樹脂表面,，以逐層固化的方式快速得到精細的三維物體,。然而，要想實現(xiàn)多色3D打印,，通常需要復雜的多墨槽協(xié)同裝置,，并輔以換槽清洗工序以避免交叉染色。因此,，高效的多色數(shù)字光處理打印成為一個挑戰(zhàn),。



近日，佐治亞理工學院齊航教授團隊與多團隊合作,，利用一種生物染料實現(xiàn)了單一墨槽（Single-vat）多顏色DLP 3D打印,。在傳統(tǒng)的DLP打印過程中，紫外光導致光引發(fā)劑釋放的自由基,，從而固化墨水形成3D結構,。該團隊發(fā)現(xiàn)自由基在固化墨水的同時還能使該染料由藍色變?yōu)辄S色，借助這種變色機制,，通過控制光固化打印過程中的局部紫外光劑量可以產(chǎn)生一系列漸變顏色,，從而實現(xiàn)多色DLP打印。文章以“Multi-color 3D Printing via Single-Vat Grayscale Digital Light Processing（基于單墨槽灰度數(shù)字光處理的多色三維打�,。�”為題,，在線發(fā)表于 《Advanced Functional Materials》上。


圖1：打印方法與機理示意圖 （所有圖片比例尺：10 mm）

單墨槽多色數(shù)字光處理打印的原理如摘要圖與圖1所示,。團隊通過控制數(shù)字光處理3D打印使用的切片圖案灰度,，進而實現(xiàn)在像素級的自由基局部濃度控制，借此得到不同程度的染料氧化變色效果,。變色過程發(fā)生在光敏樹脂聚合反應轉化率飽和之后,，因此不會造成材料力學性能的異化。文中選用了一種藍色的蒽醌衍生物染料（溶劑藍104,，SolventBlue 104）來展示這一方法,，結果顯示，不同光敏范圍的光引發(fā)劑也都能實現(xiàn)類似的效果,，將投影圖片中由暗到亮的灰度映射到打印物體之上,，形成藍綠黃多級漸變色譜。



圖2：顏色變化表征

為了在三維物體中實現(xiàn)精確可控的顏色變化,，團隊選用溶劑藍104與光引發(fā)劑PI 819進行了一系列表征,。僅含有染料與光引發(fā)劑的溶液樣品經(jīng)過不同劑量的紫外光照射后呈現(xiàn)了一系列顏色漸變（圖2a），并借助紫外-可見光吸收光譜得以表征（圖2b）,。團隊進一步表征了不同打印參數(shù)（投影切片灰度值與單層光固化時間）與變色樹脂體系變色程度（Degree of color change, DoCC）的關系（圖2c），并借助CIELAB色彩空間對樣品變色程度進行量化標定（圖2e），為實際打印過程的參數(shù)選擇提供了重要的依據(jù),。



圖3：彩色三維地形模型打印

作為展示,，團隊設計了一套用于打印彩色三維地形模型的算法。如圖3所示,，該算法能夠將光固化投影圖片的灰度與地形模型的海拔高度映射對應起來,，并將普通的白色數(shù)字光處理3D打印切片轉換為合適的灰度切片。這一顏色梯度極大地豐富了實際打印出的模型的視覺信息含量,。



圖4：有限元仿真結果的三維可視化

除此之外,，該方法還可以將有限元分析的三維結果直接打印出來。團隊使用Python腳本,，將有限元分析軟件（ABAQUS）生成的工程應變運算結果直接切片生成對應的灰度圖片,，而在打印結果中展示出對仿真運算結果的三維可視化還原。



圖5：（a）更為通用的多色三維模型設計,、切片處理方法,。（b-f）復雜藝術花瓶的切片、參數(shù)優(yōu)化與打印,。（g-h）非透明墨水的顏色信息加密,。

更進一步地，團隊在文中提出了更為通用的多色三維模型的切片處理方法,，并且展示了一個嵌有復雜藝術花紋的彩色花瓶的切片,、參數(shù)優(yōu)化過程，以及細節(jié)豐富的打印結果實物照片,。值得一提的是,，借助精準的變色程度定量表征，研究人員可以進一步提高打印切片的灰度值,，并相應地縮短相應切片的打印時間,，以更高的效率得到相同的變色結果。例如,，一層灰度為GL120 (RGB 120/255)需要24秒打印的圖案可被優(yōu)化轉化成灰度為GL255 (RGB 255/255)而只需3秒打印的圖案,，這樣動態(tài)差異化的逐層打印時間大大縮短了打印的總用時（30%）。文章還展示了使用不透明墨水得到顏色信息加密結構,，外表平平而內藏玄機,。



圖6：由打印后選擇性紫外光照處理得到的多色結構

除了打印過程中的原位變色，團隊還開發(fā)了打印后的選擇性紫外光照處理方法,，直接將設計好的圖案投影到物體表面,，從而能夠更方便快捷地得到需要的物體表面顏色。另一方面,，由于材料體系對紫外光與氧化的敏感性,，此方法打印出來的物體顏色的固定與保護還有待進一步的研究。

該工作提出了一種簡單有效地多色數(shù)字光處理打印方法。除了藍綠黃漸變色系,，其他不同顏色的（包括紅色,，綠色，紫色等）蒽醌衍生物染料也被證實能實現(xiàn)類似的變色效果,。借此,，普通的單墨槽數(shù)字光處理3D打印機無需改裝便可以高效地實現(xiàn)多色打印，極具前景與應用價值,。

該論文的通訊作者為佐治亞理工學院齊航教授,，第一作者為佐治亞理工學院博士生彭錫睿。文章合著者包括佐治亞理工學院博士后岳亮博士,，梁斯莊博士,，博士生Stuart Montgomery，施樂集團路春亮博士和Chieh-Min Cheng博士,，佐治亞理工學院Raheem Beyah教授,，以及斯坦佛大學趙芮可教授。


原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202112329