體積3D打印進(jìn)展綜述：快速、高分辨率、無分層深桶光固化 3D 打印

2024年7月8日，南極熊獲悉，來自瑞士和美國的研究人員最近發(fā)表了一項研究，詳細(xì)介紹了深桶光固化 3D打印（DVP）技術(shù)的進(jìn)展。DVP技術(shù)減輕了對逐層打印的需求，并實現(xiàn)了前所未有的制造速度（幾秒鐘內(nèi)）和高分辨率（>10 μm）。

相關(guān)研究以題為“Light from Afield: Fast,High-Resolution, and Layer-Free Deep Vat 3D Printing/遠(yuǎn)場光快速、高分辨率、無層的深桶 3D 打印”的論文發(fā)表在《ChemicalReviews》期刊上。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.4c00134

深桶光固化打印技術(shù) (DVP) 引入了無需分層、高分辨率、基于光固化的高精度 3D 打印。與傳統(tǒng)方法不同，DVP 使用光在樹脂桶深處交聯(lián)液態(tài)光聚合物。這種方法可以同時實現(xiàn)整個體積的打印，提供更高的速度和更平滑的效果。

最廣泛使用的光固化打印的方法是采用逐層掃描打?。▓D 1），其中通過穿過激光來誘導(dǎo)點狀交聯(lián)，從而使材料交聯(lián)（例如立體光刻 (SLA)或雙光子聚合（2PP）) 或使用圖像投影（例如，部署數(shù)字微鏡設(shè)備 (DMD) 或液晶顯示器 (LCD) 的數(shù)字光投影 (DLP)）一次交聯(lián)整個層。在這些方法中，薄層材料通過光投影進(jìn)行光聚合，并附著在前一層已經(jīng)交聯(lián)的材料上。通常會使用光吸收劑來防止光穿透交聯(lián)層并導(dǎo)致過度聚合。利用光作為雕刻工具，通過加快打印過程中各層之間的過渡，可以加快制造速度，例如連續(xù)液體界面生產(chǎn) (CLIP)。更快的生產(chǎn)周期使其對于快速原型設(shè)計和迭代設(shè)計流程特別有價值。此外，通過基于光的打印實現(xiàn)更光滑的表面處理簡化了后處理，進(jìn)一步加快了生產(chǎn)時間。

過去幾年，與上述涉及薄層材料增材交聯(lián)的方法相反，人們開發(fā)出了新的打印方法，這些方法依靠光傳播到充滿樹脂的大桶深處，以實現(xiàn)累積光劑量，從而將材料交聯(lián)成復(fù)雜的形狀。在 3D 打印或增材制造界，術(shù)語“體積打印”經(jīng)常用于描述這些技術(shù)，但該術(shù)語的使用存在分歧。一種普遍的理解是，體積打印方法應(yīng)該通過光投影同時生成 3D 打印結(jié)構(gòu)的整個體積，這將包括多方向投影技術(shù)或斷層打印。不過，其他技術(shù)在光傳播深入樹脂槽體積的工藝原理以及光引發(fā)和交聯(lián)機制方面也具有一些共同點。其中包括基于光片的立體光刻技術(shù)或絲狀光（FLight）生物制造。由于交聯(lián)是在充滿樹脂的容器中進(jìn)行的，因此體積印刷這一術(shù)語也用于基于光片的技術(shù)，例如 Xolography。為了避免這些差異，研究人員在本篇論文中使用“深桶”打印這一術(shù)語，以便能夠同時涵蓋相關(guān)的四種技術(shù)。

深桶光固化打印是使用旋轉(zhuǎn)樹脂桶和多個 2D 光投影來創(chuàng)建復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)。多向投影涉及從各個角度投射光以產(chǎn)生累積 3D 光劑量，從而有效地固化樹脂以形成復(fù)雜的形狀。

圖 1.傳統(tǒng)的SLA逐層掃描和 DVP 方法。（圖片來源：Chansoria 等）

圖 2.A. DVP 方法利用來自多個方向的光劑量在光樹脂中累積。B. 小瓶保持靜止，從兩個或三個不同方向投射具有強度圖案灰度梯度的不同圖像以交聯(lián)樹脂

圖 3.層析掃描打印

DVP 中使用的光樹脂依賴于特定的交聯(lián)機制，例如逐步增長聚合，其中一旦達(dá)到臨界光劑量閾值，樹脂就會凝固。樹脂內(nèi)的光傳播受比爾-朗伯定律支配，該定律決定了光在深入樹脂槽時如何衰減。準(zhǔn)直光束可確保樹脂深度的均勻性，從而提高打印的精度。

光交聯(lián)動力學(xué)起著至關(guān)重要的作用，受溫度和局部光強度等因素的影響。交聯(lián)過程中的放熱反應(yīng)會導(dǎo)致局部熱誘導(dǎo)自催化，影響打印分辨率。熱擴散和活性物質(zhì)擴散也被認(rèn)為是維持打印物體保真度的關(guān)鍵因素。

DVP 未來的改進(jìn)重點是提高分辨率、優(yōu)化光聚合物樹脂和改進(jìn)光投影技術(shù)。潛在應(yīng)用涵蓋從生物醫(yī)學(xué)設(shè)備到航空航天部件等各個領(lǐng)域，展示了 DVP 在增材制造中的多功能性和效率。