佐治亞理工齊航團隊：單一前驅體灰度光聚合實現(xiàn)多力學特征復合結構的一體化3D打印成型

來源：高分子科學前沿

基于光固化的數(shù)字光處理（Digital Light Processing, DLP）3D打印是一種高速度，高精度的打印技術。近年來其應用已從早期的快速成型逐漸擴展到各種智能器件的打印。單一材料已經(jīng)無法滿足各種功能化的打印需求。

基于此，佐治亞理工學院齊航教授團隊聯(lián)合豐田汽車研發(fā)團隊通過在聚合前驅體材料上的創(chuàng)新設計并結合灰度數(shù)字光處理技術(grayscale DLP)對單體轉化率精確控制，可以在大范圍內(nèi)調(diào)控打印結構的力學特征。該技術利用單一前驅體實現(xiàn)了多材料功能結構的一體成型，極大拓展了數(shù)字光處理3D打印的應用范圍。

圖一：灰度數(shù)字光處理的基本原理及展示

在低轉化率下，有機單體在氫鍵作用下和共價交聯(lián)網(wǎng)絡形成穩(wěn)定的高拉伸（~1500%）低模量（~0.01MPa）有機凝膠軟材料。同時又能在完全反應的情況下轉化為模量高達480MPa的硬質(zhì)聚合物。灰度數(shù)字光處理技術則實現(xiàn)了對打印結構力學特征在50微米尺度的像素級精確調(diào)控。如圖一所示，基于該技術打印的蝸牛，不僅能實現(xiàn)結構形狀的高精度復制，還能還原其不同結構的力學特征：柔軟可拉伸的身體和堅硬的外殼。基于該打印技術，作者展示了其在過去無法通過單次打印一體成型的各類復雜結構及器件制造上的可行性。

復合材料結構

圖二：通過該技術打印的各類力學復合結構

文章展示了通過該技術實現(xiàn)的內(nèi)嵌纖維的各向異性結構，高仿真膠原三螺旋結構和性能梯度結構等復雜力學結構的一體成型。

仿生結構

圖三：通過該技術打印的各類仿生結構

人體及各類生物組織通常都為軟硬復合結構。此類復合仿生結構的一體化成型一直是3D打印的一大難點。圖三展示了該工作在此類應用上的實用示例。定制化快速打印具有解剖結構與機械性能的心臟瓣膜高仿真模型，可以幫助醫(yī)生對植入體進行術前臨床模擬研究。仿生魚鰭結構可以打印出堅硬的魚骨和可開合的肌肉，可用于各類仿生機器部件。同時可以通過該技術打印層狀貝殼珍珠母(Nacre)或者纖維布利岡(Bouligand) 等工程仿生復合結構，幫助研究其強韌機制。

氣動驅動結構

圖四：通過該技術打印的各類氣動驅動機構

高拉伸的有機凝膠也展示了該技術在氣動驅動器件上的應用潛力。圖四打印的仿河豚魚結構，其魚肚為有機凝膠態(tài)，身體其余部分為硬質(zhì)聚合物。可用氣動驅動該空腔結構來模擬河豚的應激變形。而過去難以制造的氣動執(zhí)行器也可以通過灰度數(shù)字光處理技術快速成型，實現(xiàn)可控的拉伸、彎曲、收縮和旋轉的基本動作，以及通過基本動作疊加的各類復雜動作。文章展示了一個纏繞抓取的氣動驅動結構。

交互傳感器

圖五：通過該技術打印的各類定制傳感器

文章展示了該技術在各類可交互，可穿戴的電子器件及傳感器制造上的應用。在器件結構中打印微孔并注入液態(tài)金屬，可實現(xiàn)對包括應變、壓力、穿戴式等各類傳感器的高度定制化打印。

小結
該工作通過聚合前驅體的材料創(chuàng)新結合灰度數(shù)字光處理技術，實現(xiàn)了對打印結構的材料力學特征大范圍調(diào)控。為聚合物基連續(xù)功能梯度材料與結構的一體化制造提供了新思路，進一步拓展了數(shù)字光處理在各類多材料功能異質(zhì)結構制造上的應用范圍。

佐治亞理工齊航教授為該論文通訊作者，岳亮博士為文章第一作者。文章合作者包括來著佐治亞理工團隊的S. Macrae Montgomery，孫曉昊博士，余璐霞博士和來自豐田汽車北美研究院的宋宇陽博士和Masato Tanaka博士以及豐田中央研發(fā)實驗室的Tsuyoshi Nomura博士。該工作于近日發(fā)表在Nature Communications。