神奇的3D列印教你,如何快速地將一滴墨水變成一顆牙齒

出品:科普中國

製作:張虞

(中國科學院化學研究所綠色印刷實驗室)

監製:中國科學院計算機網路資訊中心

看過科幻電影《終結者2》的朋友對裡面的液態金屬機器人T-1000一定印象深刻,在電影中,T-1000的身體是由可還原記憶的液態金屬構成,可以在液態和固態中自如轉換,被破壞後能夠自我還原,受傷或中彈後傷口還能夠自動閉合,令人歎為觀止!

神奇的3D列印教你,如何快速地將一滴墨水變成一顆牙齒

△(圖片來源:電影《終結者2》)

藝術來源於生活,科幻就是人們對未來科技發展的一種幻想。看到如此神奇的機器人,很多科研工作者也坐不住了,有的想到研究液態金屬,有的考慮將這種獨特的“能力”運用於3D列印。你沒看錯,就是3D列印,那麼如何進行應用呢?下面就為大家揭曉謎題。

單墨滴3D列印,又省材料又可靠

3D列印是一種以數字模型檔案為基礎,利用聚合物樹脂、金屬、陶瓷、奈米複合物等可列印材料,基於逐層列印的方式來構造三維立體結構的技術。

該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建築、汽車、航空航天等多種領域應用廣泛。

在眾多3D列印技術中,基於光固化的連續3D列印技術已成為構造3D結構最有前途的方法之一。然而,相比於基於擠出成型的3D列印方法,其材料利用率較低,而且在連續3D列印過程中,液體樹脂會不可避免地附著在固化結構的表面,其附著量會隨著列印速度和粘度的增加而增加;同時,由於光散射的存在,導致非圖案區中的樹脂發生額外的固化,從而降低了列印的穩定性和精度。

為提高材料利用率及列印過程的穩定性,中科院化學所宋延林研究員課題組提出了一種

單墨滴3D列印策略,利用介面操作方法就能製備出具有可控形貌的精細3D結構。

他們透過在3D列印體系中引入

可退浸潤的三相接觸線(TCL)

,可顯著減少液體樹脂在固化結構表面的殘留;同時還降低了介面粘附,並且增加了液體內部樹脂的流動,可防止高速列印過程中樹脂由於持續處於高強度輻照狀態下導致的列印結構凸起或臺階結構,從而

顯著提高3D列印的精度和穩定性,實現一滴成型

。這種利用單個墨滴高效構建精細3D結構的策略對於節約墨水材料、按需個性化製備具有重要的意義。研究成果近日發表於《

Nature Communications

》上(

Nat. Commun.

,2020, 11, 4685)。

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△利用該技術列印一顆牙齒(圖片來源:作者提供)

“一滴成型”是如何實現的?

利用單個墨滴就能精確打印出你想要的東西,聽上去是不是很神奇。

那麼這一過程是如何實現的呢?

研究人員發現,實現單墨滴3D列印的關鍵是

三相接觸線的可控回縮

,這主要涉及3D列印體系中三個介面間粘附力值的相對大小:即液體樹脂與固化介面的粘附、固體樹脂與固化介面的粘附及液體樹脂與固體樹脂之間的粘附。為研究具有不同介面性質的基底對單墨滴列印過程的影響,研究人員選擇了三種不同結構的低粘附基底:光滑的氟化石英基底、具有微納複合結構的超雙疏基底及潤滑基底來進行研究。

在光滑的氟化石英基底上,儘管三相線可以發生回縮,但由於固化樹脂與固化介面之間的粘附力大,單墨滴3D列印不能實現;在具有微納複合結構的超雙疏結構基底上,可以實現連續列印。但由於超雙疏的產生源於微納複合結構與液體樹脂之間形成的空氣層,因此連續列印過程不穩定且列印結構有豎直條紋;在潤滑基底上,單墨滴可完全轉化為所設計的3D結構,且列印結構具有光滑側壁。

研究人員對此現象進行了系統性的研究,得出實現單墨滴3D連續列印需滿足的兩個條件,

即液體樹脂與固化樹脂間的粘附(γ1)應大於液體樹脂與固化介面之間的粘附(γ3),同時液體樹脂與固化介面之間的粘附(γ3)應大於固化樹脂與固化介面的粘附(γ2)

,這為單墨滴3D列印的普適性奠定了基礎。

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△光固化介面性質對單墨滴3D列印的影響(圖片來源:作者提供)

研究人員進一步研究了單墨滴3D列印的材料淨利用率,即洗淨的3D結構的質量與液滴質量的比值。發現隨液滴質量的增加,單墨滴材料利用率降低;隨著UV投影面積的增加,單墨滴材料利用率增加;隨著樹脂的三維分佈增大或長寬比的增大,單墨滴材料利用率降低,因此可透過以上因素調控單墨滴列印的淨利用率,實現一滴成型。

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△墨滴尺寸和UV圖案引數對單墨滴3D列印材料利用率的影響(圖片來源:作者提供)

研究人員基於單墨滴3D打印製備了三種不同的精細牙齒結構,從圖中可以看出列印結構表面光滑,且與設計結構具有相同的形貌,可完全與牙齒模型嵌合,

也就是說列印結構具有良好的結構可控性和邊緣完整性,並具有極高的材料利用率。

神奇的3D列印教你,如何快速地將一滴墨水變成一顆牙齒

△單墨滴3D列印牙齒結構(圖片來源:作者提供)

雖然聽起來複雜又高深,但3D列印是能切實應用於生活中的、為我們帶來便利的一項技術。希望科學家們未來能發明出更多更節能的列印方式,讓3D列印更好地造福於我們人類。

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