浙大趙騫/宋吉舟：利用水凝膠分離界面實(shí)現(xiàn)光固化快速打印

來源：EngineeringForLife

在投影式光固化（DLP）3D打印技術(shù)中，打印材料和投光區(qū)域的層間需要一個分離界面來避免兩部分的過度粘合。但目前常用的分離方法通常需要復(fù)雜的設(shè)備或昂貴的消耗品，因此，需要一種簡單、經(jīng)濟(jì)、通用的界面分離方法方法來實(shí)現(xiàn)光固化打印的大規(guī)模制造。近期，來自浙江大學(xué)的趙騫團(tuán)隊(duì)聯(lián)合宋吉舟團(tuán)隊(duì)提出了以水凝膠作為分離界面的光固化打印方法，研究人員通過利用該界面在Z軸方向上產(chǎn)生的大幅度可恢復(fù)形變，使打印過程中的材料產(chǎn)生的粘附力降低，以實(shí)現(xiàn)快速打印。相關(guān)論文“Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface”發(fā)表在“Nature Communications”雜志上。

為了構(gòu)建水凝膠分離界面，研究人員在投光區(qū)域原位光固化了以丙烯酰胺（AAm）為單體，N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）為交聯(lián)劑的水凝膠層作為分離界面（圖1），該界面具有優(yōu)異的透明性，且與大多數(shù)常見的光敏樹脂不混溶。

圖1 水凝膠分離界面的構(gòu)建

隨后，研究人員通過力傳感器實(shí)時測量分離力，發(fā)現(xiàn)固化后的水凝膠模量越低，質(zhì)地越軟，分離力就越小；凝膠層越厚，打印過程中的應(yīng)變和響應(yīng)分離力也會越小。并通過對比水凝膠分離界面和商用的氟化乙烯丙烯（FEP）膜的分離力大?。▓D2），說明了水凝膠分離界面在快速打印下的高精度和穩(wěn)定性。

圖2 分離力的評估以及可打印性

其次，研究人員對比了該方法與PDMS界面分離機(jī)理的區(qū)別（圖3），發(fā)現(xiàn)與PDMS界面相比水凝膠實(shí)現(xiàn)分離的操作窗口要寬得多，這有利于實(shí)現(xiàn)DLP快速打印。

圖3 PDMS和水凝膠分離機(jī)理的對比

研究人員為深入了解水凝膠分離界面的基本力學(xué)性能，對其進(jìn)行了力學(xué)建模和分析（圖4），進(jìn)一步證明了在相同界面相互作用特性下，較軟和較厚的水凝膠可提供相對較小的分離力。

圖4 含有水凝膠界面的打印過程的力學(xué)建模和分析

最后，研究人員使用聚氨酯丙烯酸酯橡膠、形狀記憶聚合物(SMP)等材料打印出了具有多樣化功能的結(jié)構(gòu)（圖5），證明了水凝膠界面對打印樹脂的兼容性。

圖5 與水凝膠界面兼容的多樣性樹脂打印樣品

綜上所述，本文將柔軟且具有一定厚度的水凝膠作為打印過程中的分離界面，從而使該方法在打印速度、樹脂兼容性和打印可靠性等方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，該方法可直接集成到商用的DLP打印機(jī)中，其有望在大規(guī)模商業(yè)化中得到實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
Wu, J., Guo, J., Linghu, C. et al. Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface. Nat Commun 12, 6070 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26386-6