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佐治亞理工:單一前驅(qū)體灰度光聚合實(shí)現(xiàn)一體化3D打印成型

來源:深圳摩方新材科技有限公司   2023年08月30日 09:25  

基于光固化的數(shù)字光處理(Digital Light Processing, DLP)3D打印是一種高速度、高精度的打印技術(shù)。近年來其應(yīng)用已從早期的快速成型逐漸擴(kuò)展到各種智能器件的打印。單一材料已經(jīng)無法滿足各種功能化的打印需求。



基于此,佐治亞理工學(xué)院齊航教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合豐田汽車研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過在聚合前驅(qū)體材料上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)并結(jié)合灰度數(shù)字光處理技術(shù)(grayscale DLP)對(duì)單體轉(zhuǎn)化率精確控制,可以在大范圍內(nèi)調(diào)控打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征。該技術(shù)利用單一前驅(qū)體實(shí)現(xiàn)了多材料功能結(jié)構(gòu)的一體成型,極大拓展了數(shù)字光處理3D打印的應(yīng)用范圍。



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圖一:灰度數(shù)字光處理的基本原理及展示


在低轉(zhuǎn)化率下,有機(jī)單體在氫鍵作用下和共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成穩(wěn)定的高拉伸(~1500%)低模量(~0.01MPa)有機(jī)凝膠軟材料。同時(shí)又能在完。全反應(yīng)的情況下轉(zhuǎn)化為模量高達(dá)480MPa的硬質(zhì)聚合物。灰度數(shù)字光處理技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了對(duì)打印結(jié)構(gòu)力學(xué)特征在50微米尺度的像素級(jí)精確調(diào)控。如圖一所示,基于該技術(shù)打印的蝸牛,不僅能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形狀的高精度復(fù)制,還能還原其不同結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征:柔軟可拉伸的身體和堅(jiān)硬的外殼。基于該打印技術(shù),作者展示了其在過去無法通過單次打印一體成型的各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)及器件制造上的可行性。


復(fù)合材料結(jié)構(gòu)


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圖二:通過該技術(shù)打印的各類力學(xué)復(fù)合結(jié)構(gòu)


文章展示了通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)嵌纖維的各向異性結(jié)構(gòu),高仿真膠原三螺旋結(jié)構(gòu)和性能梯度結(jié)構(gòu)等復(fù)雜力學(xué)結(jié)構(gòu)的一體成型。


仿生結(jié)構(gòu)


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圖三:通過該技術(shù)打印的各類仿生結(jié)構(gòu)


人體及各類生物組織通常都為軟硬復(fù)合結(jié)構(gòu)。此類復(fù)合仿生結(jié)構(gòu)的一體化成型一直是3D打印的一大難點(diǎn)。圖三展示了該工作在此類應(yīng)用上的實(shí)用示例。定制化快速打印具有解剖結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能的心臟瓣膜高仿真模型,可以幫助醫(yī)生對(duì)植入體進(jìn)行術(shù)前臨床模擬研究。仿生魚鰭結(jié)構(gòu)可以打印出堅(jiān)硬的魚骨和可開合的肌肉,可用于各類仿生機(jī)器部件。同時(shí)可以通過該技術(shù)打印層狀貝殼珍珠母(Nacre)或者纖維布利岡(Bouligand) 等工程仿生復(fù)合結(jié)構(gòu),幫助研究其強(qiáng)韌機(jī)制。


氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)


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圖四:通過該技術(shù)打印的各類氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)


高拉伸的有機(jī)凝膠也展示了該技術(shù)在氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器件上的應(yīng)用潛力。圖四打印的仿河豚魚結(jié)構(gòu),其魚肚為有機(jī)凝膠態(tài),身體其余部分為硬質(zhì)聚合物。可用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)該空腔結(jié)構(gòu)來模擬河豚的應(yīng)激變形。而過去難以制造的氣動(dòng)執(zhí)行器也可以通過灰度數(shù)字光處理技術(shù)快速成型,實(shí)現(xiàn)可控的拉伸、彎曲、收縮和旋轉(zhuǎn)的基本動(dòng)作,以及通過基本動(dòng)作疊加的各類復(fù)雜動(dòng)作。文章展示了一個(gè)纏繞抓取的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。


交互傳感器


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圖五:通過該技術(shù)打印的各類定制傳感器


文章展示了該技術(shù)在各類可交互,可穿戴的電子器件及傳感器制造上的應(yīng)用。在器件結(jié)構(gòu)中打印微孔并注入液態(tài)金屬,可實(shí)現(xiàn)對(duì)包括應(yīng)變、壓力、穿戴式等各類傳感器的高度定制化打印。


小結(jié)


該工作通過聚合前驅(qū)體的材料創(chuàng)新結(jié)合灰度數(shù)字光處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)打印結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)特征大范圍調(diào)控。為聚合物基連續(xù)功能梯度材料與結(jié)構(gòu)的一體化制造提供了新思路,進(jìn)一步拓展了數(shù)字光處理在各類多材料功能異質(zhì)結(jié)構(gòu)制造上的應(yīng)用范圍。


佐治亞理工齊航教授為該論文通訊作者,岳亮博士為文章第一作者。文章合作者包括來著佐治亞理工團(tuán)隊(duì)的S. Macrae Montgomery,孫曉昊博士,余璐霞博士和來自豐田汽車北美研究院的宋宇陽博士和Masato Tanaka博士以及豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的Tsuyoshi Nomura博士。該工作于近日發(fā)表在Nature Communications。


摩方精密作為微納3D打印的先。行。者和領(lǐng)。導(dǎo)。者,擁有全。球。領(lǐng)。先的超高精度打印系統(tǒng),其面投影微立體光刻(PμSL)技術(shù)可應(yīng)用于精密電子器件、醫(yī)療器械、微流控、微機(jī)械等眾多科研領(lǐng)域。在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)微加工領(lǐng)域,摩方團(tuán)隊(duì)擁有超過二十年的科研及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)客戶在新產(chǎn)品開發(fā)中可能出現(xiàn)的工藝和材料難題,摩方將持續(xù)提供簡易高效的技術(shù)支持方案。


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