江南大學(xué)：基于高穿透近紅外光固化的可拓展3D打印系統(tǒng)

供稿人：王永輝、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

墨水直寫(DIW)作為一種基于擠出的3D打印技術(shù)(3DP)，可以不斷地堆疊油墨，從而快速而自由地制造物體。結(jié)合各種DIW油墨，有可能應(yīng)用于不同領(lǐng)域，例如：4D打印、機(jī)電性能、生物過(guò)程強(qiáng)化，多孔材料，聚合物泡沫、形狀記憶。然而，純粹的熱固化油墨限制了DIW在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的3D幾何形狀和功能結(jié)構(gòu)方面的嘗試，且未固化的DIW打印對(duì)象尺寸也會(huì)因機(jī)械性能差而受到限制，因此油墨設(shè)計(jì)是其發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。

光聚合油墨因其固化動(dòng)力學(xué)合理、設(shè)備溫和等優(yōu)點(diǎn)，在立體光刻(SLA)、墨水直寫(DLW)、數(shù)字光處理(DLP)、噴墨和DIW的實(shí)時(shí)固化等多種3D打印技術(shù)中重新受到重視。目前，紫外(UV)和藍(lán)光是主要的照射源，可以在空間和光化學(xué)上瞬間觸發(fā)光反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)交聯(lián)固化，獲得目標(biāo)物。盡管紫外線和藍(lán)光提供了便利，但是波長(zhǎng)較短的光穿透能力較差。

圖1 制造原理圖

江南大學(xué)劉仁團(tuán)隊(duì)利用自配制的打印墨水和近紅外(NIR)激光輔助模塊搭建的3D打印系統(tǒng)解決該問(wèn)題，制造原理見(jiàn)圖1，其模塊化的近紅外(NIR)激光輔助顯著提高了DIW可擴(kuò)展性，獲得固化直徑4毫米的絲。在光聚合方法中，近紅外光(NIR)在各種介質(zhì)中具有顯著的穿透作用，因此在快速深固化中起著更為顯著的作用。這種方法相比現(xiàn)有UV輔助的墨水直寫技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，將近紅外的有效固化范圍擴(kuò)展到幾十厘米，并提供了嵌入式書寫能力。此外，證明了它的并行制造能力，可固化多色燈絲和獨(dú)立物體；其可拓展優(yōu)勢(shì)，使其與其他基于油墨的3D打印技術(shù)集成，具有廣泛的應(yīng)用前景。


參考文獻(xiàn)：
Zhu, J.Z., et al., 3D printing of multi-scalable structures via high penetration near-infrared photopolymerization. Nature Communications, 2020. 11(1).