基于近紅外光固化實(shí)現(xiàn)多尺度結(jié)構(gòu)的墨水直寫3D打印

來源：EngineeringForLife

墨水直寫作為一種基于擠出式3D打印的技術(shù)，可以通過不斷擠出墨水使其堆疊固化，即可實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。通過使用不同的墨水，可以打印出各種各樣具有不同性能的結(jié)構(gòu)，可以在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。然而，目前使用的墨水大多是熱固化的，必須進(jìn)行十分耗時(shí)的后處理工作，這大大限制了墨水直寫技術(shù)的打印能力。此外，由于未固化的墨水機(jī)械性能較差，使得墨水直寫的打印尺寸也受到了較大限制。

為克服這一問題，來自江南大學(xué)的劉仁、劉禹團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了題為“3D printing of multi-scalable structures via high penetration near-infrared photopolymerization”的文章，提出了一種利用近紅外光誘導(dǎo)光聚合實(shí)現(xiàn)墨水固化的方法。

研究人員首先進(jìn)行了近紅外光固化的打印油墨開發(fā)，該墨水通過添加上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNP）使得其在近紅外光照射下能夠激發(fā)出波長更短的光子，引起光引發(fā)劑產(chǎn)生自由基，實(shí)現(xiàn)墨水的交聯(lián)反應(yīng)，完成墨水固化。為盡可能提高近紅外光照下墨水的固化速度，他們將上轉(zhuǎn)化納米顆粒的濃度確定為百分之一。同時(shí)，研究人員還對(duì)墨水進(jìn)行了一系列流變測(cè)試，以更好的了解墨水固化過程以及優(yōu)化打印工藝。

圖1 a近紅外誘導(dǎo)固化墨水直寫系統(tǒng)示意圖；b應(yīng)用于近紅外-墨水直寫打印的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)；c通過實(shí)時(shí)FTIR流變分析監(jiān)測(cè)近紅外光誘導(dǎo)的光聚合

基于上述流變分析測(cè)試以及動(dòng)力學(xué)測(cè)試，研究人員初步確定了打印相關(guān)工藝參數(shù)，并研究了近紅外光強(qiáng)度對(duì)打印墨水的影響，結(jié)果顯示近紅外光越強(qiáng)越能夠提高碳碳雙鍵轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，研究人員使用該近紅外固化的墨水直寫系統(tǒng)進(jìn)行了網(wǎng)格的打印，初步展現(xiàn)出該系統(tǒng)的實(shí)用性。

圖2 a二茂鈦的吸收光譜和UCNP的發(fā)射光譜；b碳碳雙鍵轉(zhuǎn)化率與ATR-FTIR監(jiān)測(cè)的輻照劑量；c通過近紅外光進(jìn)行后處理的結(jié)構(gòu)，比例尺為1厘米；d通過近紅外光進(jìn)行實(shí)時(shí)固化的結(jié)構(gòu)，比例尺為1厘米

接著研究人員利用近紅外光的高穿透能力，嘗試了多種噴嘴直徑的打印，以研究墨水?dāng)D出粗細(xì)對(duì)打印的影響，結(jié)果表明不論是最細(xì)的5微米噴嘴還是最粗的4毫米噴嘴，其固化后結(jié)構(gòu)的雙鍵轉(zhuǎn)化率均在百分之50到百分之70左右，表明該系統(tǒng)有著良好的適用性，能夠應(yīng)對(duì)不同絲粗細(xì)的需求。同時(shí)，研究人員還進(jìn)行了彩色墨水打印的嘗試，但由于顏料對(duì)高能量波段的吸收，該系統(tǒng)只能夠支持外源性彩色墨水打印。

圖3  a通過ATR-FTIR監(jiān)測(cè)碳碳雙鍵轉(zhuǎn)化率與噴嘴直徑的關(guān)系，誤差條為平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，比例尺為2厘米；b通過ATR-FTIR監(jiān)測(cè)碳碳雙鍵轉(zhuǎn)化率與顏色的關(guān)系，誤差條為平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，比例尺為2厘米；c二茂鈦和不同配方顏料的吸收光譜

在確定了打印系統(tǒng)具備較高穿透能力與外源性彩色墨水打印的能力之后，研究人員還嘗試了同軸彩色打印，結(jié)果展現(xiàn)了該系統(tǒng)優(yōu)秀的性能。同時(shí)，研究人員還基于系統(tǒng)實(shí)時(shí)固化的特點(diǎn)，嘗試了獨(dú)立式結(jié)構(gòu)打印，突破了傳統(tǒng)墨水直寫的局限。

圖4 同軸多色長絲，其中a為俯視圖，b為側(cè)視圖，比例尺為2厘米；c帶紅色顏料的獨(dú)立螺旋結(jié)構(gòu)；d帶藍(lán)色顏料的獨(dú)立式M形懸臂結(jié)構(gòu)，比例尺為1厘米

最后，研究人員利用該系統(tǒng)進(jìn)行了一系列有色結(jié)構(gòu)的打印，并對(duì)這些不同墨水打印出的標(biāo)準(zhǔn)拉伸件進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試，結(jié)果表明顏色的添加不會(huì)對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響。除此之外，研究人員還嘗試使用不同直徑噴嘴進(jìn)行了多種分辨率圖形的打印，結(jié)果展示了該打印系統(tǒng)的強(qiáng)大性能。

圖5 a 3D打印得到的標(biāo)準(zhǔn)拉伸件以及力學(xué)測(cè)試獲得的楊氏模量，誤差條為平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，比例尺為1厘米；b不同顏料打印的同一結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖；c不同分辨率的3D打印整體結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖，比例尺為2厘米

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17251-z