一滴墨水变成一颗牙齿

发布时间：2020-12-04 10:20:40来源：中科院之声

科幻电影《终结者2》中有个能随意变形、自我修复的液态金属机器人T-1000。在电影中，T-1000的身体可由单个具有还原记忆性质的液态金属构成，并且能在液态和固态中自如转换！因此，如果能将T-1000这种独特的“能力”运用于3D打印，不就能极大地节约材料，显著提高材料的利用率吗？

目前3D打印技术存在的问题

3D打印可直接将计算机辅助设计转变为复杂的立体结构，无需传统制备方法中所需的模具或光刻掩膜，具有简便快捷、绿色环保、设计灵活等优点，在高效经济生产及较宽尺度范围内快速制备复杂结构具有显著优势，已成为一种新型的先进加工技术。在众多3D打印技术中，光固化成型中的数字光处理（DLP）3D打印技术以面为成型单位，且随着面光源精度不断得到提高，被认为是最有潜力实现快速制备精密结构的3D打印技术之一。然而，与熔融沉积技术或基于挤出的3D方法相比，在打印前需要填充大量的树脂墨水，这不仅降低了材料利用率，难以实现按需成型，同时还增加了固化结构表面多余树脂的粘附，且其附着量会随着打印速度和粘度的增加而增加，造成打印结构的尺寸误差；此外，在连续打印过程中，由于光源非图案区中残光的影响，会导致额外的固化，从而降低了3D打印的稳定性和分辨率。

如何实现一滴成型？

针对上述问题，中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室宋延林课题组在前期发展的利用仿生超润滑固化界面来减少固化树脂与固化界面之间粘附（Research,2018,2018,479560,NatureCommunications,2020,11,521）的工作基础上，提出了一种连续单墨滴3D打印策略。他们通过在3D打印体系中引入可退浸润的三相接触线（TCL），利用界面操作的方法，大幅降低了液体树脂在固化结构表面的残留，同时增加了固液界面的自由度及液滴内部的流动，抑制了XY平面非光源图案区的过度固化，从而显著提高3D打印的精度和稳定性。通过调控墨滴尺寸、紫外投影大小和图案，实现了一滴成型、按需制备可控形貌的精细3D结构。

图1单墨滴3D打印过程的机理及光学图像

研究人员认为，实现连续单墨滴3D打印的关键是三相接触线的可控回缩，这主要取决于光固化界面的界面性质。因此，为了研究具有不同界面性质的基底对单墨滴打印过程的影响，实验选择了三种具有不同结构的低粘附基底来进行研究：分别为光滑的氟化石英基底、具有微纳复合结构的超双疏基底以及润滑基底。在光滑的氟化石英基底上，尽管TCL可以发生回缩，但由于固化树脂与固化界面之间的粘附力大，单墨滴3D打印无法实现；在超双疏基底上，可以实现连续打印，但由于其表面微纳结构所捕获的空气层，使得单墨滴TCL变形，打印结构侧壁具有竖直条纹；在润滑表面上，单墨滴可完全转化为设计的3D结构，且打印结构具有光滑侧壁。研究人员对此现象进行系统地研究，得出在打印过程中液体树脂与固化树脂间的粘附（γ1）、固化树脂与固化界面的粘附（γ2）及液体树脂与固化界面之间的粘附（γ3）只有同时满足γ1>γ3，γ3>γ2这两个条件，才能实现单墨滴3D连续打印，这为单墨滴3D打印的普适性奠定了基础。

图2光固化界面性质对单墨滴3D打印的影响

单墨滴3D打印牙齿结构

利用连续单墨滴3D打印方法，研究人员实现了不同位置的三种牙齿结构的打印。可以看出，单个墨滴完全转化为所设计的牙齿结构，并且打印结构光滑、具有边缘完整性。该方法为可控、按需制备精细3D结构开辟了新途径。

图3单墨滴3D打印牙齿结构

来源：中国科学院化学研究所

温馨提示：近期，微信公众号信息流改版。每个用户可以设置常读订阅号，这些订阅号将以大卡片的形式展示。因此，如果不想错过“中科院之声”的文章，你一定要进行以下操作：进入“中科院之声”公众号→点击右上角的···菜单→选择「设为星标」