DLP 3D打印工藝優(yōu)化界面策略

來源： EngineeringForLife

3D打印,，又稱增材制造,，能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)直接按需轉(zhuǎn)化為復(fù)雜結(jié)構(gòu),。近年來，這項(xiàng)技術(shù)引起了廣泛關(guān)注,。在各種方法中,，數(shù)字光處理(DLP) 3D打印利用聚合物或預(yù)聚物作為墨水，已成為領(lǐng)先的新技術(shù),，這得益于定制生產(chǎn),、醫(yī)療保健,、教育和藝術(shù)設(shè)計(jì)等不同領(lǐng)域的高需求。DLP 3D打印技術(shù)采用固化切片作為成型單元,，因其同時(shí)實(shí)現(xiàn)高打印速度和分辨率的潛力而受到認(rèn)可,。

近日，來自中科院化學(xué)所宋延林研究員/吳磊副研究員從固相和液相之間的界面相互作用的角度總結(jié)了打印過程的關(guān)鍵方面,，即速度,、精度和材料多樣性優(yōu)化，這些界面相互作用受樹脂形成,、固化表面和光源特性的影響,。這些相互作用包括液態(tài)樹脂-UV 圖案界面、固化結(jié)構(gòu)-固化表面界面,、液態(tài)樹脂-固化表面界面以及液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面,，每種界面都對打印結(jié)果的獨(dú)特特性有所貢獻(xiàn)。最后,，本綜述探討了DLP 3D打印當(dāng)前的挑戰(zhàn)和局限性,，為未來的改進(jìn)提供了寶貴的見解，并指導(dǎo)了該領(lǐng)域的潛在創(chuàng)新,。

相關(guān)綜述以“Recent Innovations in Interfacial Strategies for DLP 3D Printing Process Optimization”為題于2024年10月19日發(fā)表在《Materials Horizons》上,。  

圖1 不同3D打印格式以及相應(yīng)原材料和成型單元的概述

1.DLP打印配置以及涉及的界面
根據(jù)光源與支撐板的相對位置不同，有兩種配置,，包括紫外源位于支撐板上方的自上而下配置（圖2a）和紫外源位于支撐板下方的自下而上配置（圖2b）,。兩種配置下，打印過程都是在受約束的界面之間進(jìn)行的：自下而上,，打印過程是在槽底與固化的三維結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行的,；自上而下，打印過程是在頂蓋與固化的三維結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行的,。兩種配置的調(diào)控策略具有通用性,，因此作者主要介紹自下而上的配置。

由于這三個(gè)步驟實(shí)際上是在紫外圖樣,、固化結(jié)構(gòu)和固化表面之間的界面上進(jìn)行的原位界面固化過程,，從界面角度來看，對固化所涉及的界面的調(diào)控將影響打印過程和打印結(jié)果,。對于整個(gè)打印過程,，它涉及到紫外圖樣、液態(tài)樹脂,、固化結(jié)構(gòu)和固化表面之間的界面,，如圖2c所示。作者主要總結(jié)了界面策略來調(diào)控固體固化表面、固體固化結(jié)構(gòu)和液態(tài)樹脂的固液相接觸界面,，這些界面受到光源,、液態(tài)樹脂和固化表面的性質(zhì)的影響。隨著不同固液界面的調(diào)控,，所涉及界面處的固化或運(yùn)動(dòng)也隨之變化,，從而導(dǎo)致不同的打印過程或打印結(jié)構(gòu)性質(zhì)，例如打印連續(xù)性,、打印配置,、打印效率以及受打印過程影響的3D打印結(jié)構(gòu)的功能化或獨(dú)特性質(zhì),。   

圖2 自上而下和自下而上的DLP打印過程實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.液體樹脂- UV圖案界面
在紫外光照下,，液態(tài)樹脂會在固化結(jié)構(gòu)（第一層支撐板）與固化面的界面處固化（圖3a），因此紫外固化過程涉及紫外圖案,、液態(tài)樹脂與固化面之間的界面,，固化面在此起到物理約束的作用，抑制液態(tài)樹脂沿z軸方向的過度固化,。液態(tài)樹脂-紫外圖案界面的調(diào)控可以通過紫外圖案調(diào)控和液態(tài)樹脂組分調(diào)控來實(shí)現(xiàn),。具體來說，紫外圖案的調(diào)控可以在傳統(tǒng)紫外投影儀的基礎(chǔ)上通過調(diào)控紫外投射強(qiáng)度分布或投射方式進(jìn)行,，也可以通過改造紫外投影儀來調(diào)控光路進(jìn)行,。

對于不改造紫外投影儀的光強(qiáng)分布調(diào)控，如圖3b所示,，主要基于正面光聚合和光聚合誘導(dǎo)的體積收縮來影響膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部固化程度的差異,，經(jīng)過后處理或在外界刺激下可變形為三維形貌。正面光聚合是在厚層液態(tài)樹脂內(nèi)部進(jìn)行,，在一側(cè)受到紫外光照,，隨著作用時(shí)間的增加，光衰減和光聚合差異向非光照液體側(cè)擴(kuò)散,。固化過程中,，由于單體和交聯(lián)劑之間形成共價(jià)鍵，材料體積減小,，產(chǎn)生不均勻的體積收縮,，前沿移動(dòng)，相應(yīng)的應(yīng)力場和彎曲趨勢也隨之產(chǎn)生,。進(jìn)一步結(jié)合光強(qiáng)模式復(fù)雜性,，豐富了xy方向的制造參數(shù)，通過系統(tǒng)的打印工藝設(shè)計(jì),，可以制備彎曲結(jié)構(gòu)和3D折紙結(jié)構(gòu),。   

圖3 UV圖樣與液態(tài)樹脂界面的調(diào)控及相應(yīng)的優(yōu)化

3.固化結(jié)構(gòu)-固化表面界面
液態(tài)樹脂在紫外光照射下聚合成固化結(jié)構(gòu)后，需要離開或脫離固化面，為下一液態(tài)層的生成騰出空間,，從而進(jìn)行層層固化堆疊,，實(shí)現(xiàn)3D構(gòu)建。固化結(jié)構(gòu)-固化表面界面的調(diào)控主要影響固化結(jié)構(gòu)與固化表面的分離過程以及液態(tài)樹脂在固化表面的后續(xù)固化（圖4a）,。最優(yōu)化的情況是實(shí)現(xiàn)三個(gè)步驟的同時(shí)處理,，這實(shí)際上首先會實(shí)現(xiàn)打印的連續(xù)性，其次也會優(yōu)化打印精度,。其次,，可以利用聚合物框架內(nèi)部膨脹的惰性液體覆蓋層作為固化表面來減少3D打印過程中的粘連現(xiàn)象，無論液體樹脂類型如何,，都可以降低固化結(jié)構(gòu)與固化表面之間的粘附性,。固化表面的滑溜特性可以賦予界面更快的液體樹脂鋪展特性，從而導(dǎo)致固化結(jié)構(gòu)與固化表面之間更高的液體樹脂重新填充速度,，從而生成新的液體樹脂層以進(jìn)行持續(xù)固化,，部分解決了樹脂重新填充現(xiàn)象的第二個(gè)障礙，并賦予了更通用的打印過程,。   

圖4 固化結(jié)構(gòu)與固化表面界面的調(diào)控及相應(yīng)的優(yōu)化

4.液態(tài)樹脂-固化表面界面   
伴隨著固化結(jié)構(gòu)與固化面的分離過程,，液態(tài)樹脂要重新填充固化結(jié)構(gòu)與固化面之間新產(chǎn)生的縫隙，從而生成新的液層以供下一層固化堆積,。如前所述,，由于固化面或固化結(jié)構(gòu)與固化面之間液相鋪展速度慢而導(dǎo)致的樹脂填充不足是實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印過程的障礙之一，樹脂填充不足會減慢打印過程,，導(dǎo)致打印缺陷和失敗,。因此液態(tài)樹脂-固化面界面的調(diào)控主要影響樹脂填充的速度和傾向，從而影響打印的連續(xù)性,，進(jìn)一步影響填充層內(nèi)的材料分布,，進(jìn)而影響整個(gè)三維結(jié)構(gòu)。

圖5 液態(tài)樹脂與固化表面界面的調(diào)控及優(yōu)化

5.液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面

液態(tài)樹脂—固化結(jié)構(gòu)界面的調(diào)控可分為兩種情況,，即在結(jié)構(gòu)外表面和固化表面周圍的固化區(qū)域,。第一種界面主要影響打印過程中或打印后的后處理過程中液態(tài)樹脂在固化結(jié)構(gòu)外表面的覆蓋過程，以調(diào)控打印結(jié)構(gòu)的輪廓及DLP 3D打印的打印流程（圖6）,。對于固化區(qū)域周圍液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面的界面調(diào)控,，可以在不引入額外器件的情況下擴(kuò)展具有多材料兼容特性的DLP 3D打印。傳統(tǒng)上,，與3D噴墨打印和直接墨水書寫增加噴嘴數(shù)量類似,，增加所涉及的液態(tài)樹脂數(shù)量可以增加3D結(jié)構(gòu)的材料范圍和多樣性。此外,，徹底清除每一層黏附的液態(tài)樹脂也是提高邊界精度的另一種方法,。通過調(diào)節(jié)液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面,，可以控制打印過程、打印結(jié)果和3D結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,。

圖6 液態(tài)樹脂與固化結(jié)構(gòu)之間的界面的調(diào)節(jié)及相應(yīng)的優(yōu)化

綜上,，本文首先介紹了兩種不同的打印配置、打印過程以及DLP 3D打印技術(shù)所涉及的界面,，隨后總結(jié)了最近基于界面調(diào)控的DLP 3D打印的打印過程,、速度、精度和材料多樣性優(yōu)化的科學(xué)嘗試,，包括液態(tài)樹脂-UV圖案界面對打印速度和配置的優(yōu)化,，固化結(jié)構(gòu)-固化表面界面對打印連續(xù)性優(yōu)化，液態(tài)樹脂固化表面界面對打印過程,、結(jié)果和性能的調(diào)控,，液態(tài)樹脂-固化結(jié)構(gòu)界面對打印結(jié)果和材料復(fù)雜性優(yōu)化。這些調(diào)節(jié)影響打印過程,、設(shè)備配置以及3D打印結(jié)構(gòu)的形態(tài)和物理特性,。最后,，作者展望了DLP 3D打印方法未來的挑戰(zhàn)和進(jìn)步,。

文章來源：
https://doi.org/10.1039/D4MH01160K