△FDM技術(shù)類型的3D打印機(jī)可以通過增加噴頭數(shù)量/增加進(jìn)料通道等辦法來實(shí)現(xiàn)多色或者多種材料同時(shí)打印。
而在光固化領(lǐng)域，多材料或者說混合材料的3D打印，一直沒有突破。2019年3月15日，南極熊獲悉，一篇發(fā)表在《Nature Communications》上的論文，給出了新穎的解決辦法。
威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家開發(fā)出一種新型3D打印機(jī)，它擁有可見光和紫外光兩種模式，可以同時(shí)打印多種光敏樹脂材料。
技術(shù)原理
①該方法利用多材料光固化空間控制（MASC）技術(shù)，在增材制造過程中根據(jù)不同的材料化學(xué)成分選擇不同的光源波長(zhǎng)。多組分光敏素包括具有相應(yīng)的自由基和陽(yáng)離子引發(fā)劑的丙烯酸酯和環(huán)氧化物基單體。
②在長(zhǎng)波長(zhǎng)（可見光）照射下，觀察到丙烯酸酯組分的優(yōu)先固化。在短波長(zhǎng)（UV）照射下，摻入丙烯酸酯和環(huán)氧化物組分的組合優(yōu)先固化。
③這使得能夠生產(chǎn)含有硬質(zhì)環(huán)氧化物網(wǎng)絡(luò)的多材料部件，與軟水凝膠和有機(jī)凝膠形成對(duì)比。 MASC配方的變化極大地改變了打印樣品的機(jī)械性能。使用不同MASC配方打印的樣品具有空間控制的化學(xué)不均勻性，機(jī)械各向異性和空間控制的膨脹。
原理聽起來有點(diǎn)復(fù)雜，在實(shí)際操作中，研究人員同時(shí)將來自兩臺(tái)投影儀的光線導(dǎo)向一大桶液體原材料，在平臺(tái)上逐層構(gòu)建。構(gòu)建一個(gè)層之后，構(gòu)建平臺(tái)向上移動(dòng)，然后構(gòu)建下一層。
也就是說用兩個(gè)光源+一桶樹脂，實(shí)現(xiàn)兩種材料的光固化3D打印。
光源控制
先說光源的控制，研究人員創(chuàng)建了二元圖像組合，一系列圖像通過可見光DLP投影儀處理，而另一組圖像并行發(fā)送到紫外線投影儀系統(tǒng)。
多材料打印樣品的例子如上圖所示，將樣品浸沒在甲苯或留蘭香油中時(shí)，不同區(qū)域之間的對(duì)比清晰可見。透明的部分是由可見光打印的，而不透明區(qū)域則用UV光打印。第一個(gè)例子類似于帶有內(nèi)部骨骼的手，其硬質(zhì)部分完全包裹在較軟的外部材料內(nèi)。這些樣品共同展示了在X、Y、Z三個(gè)方向控制多材料成分的獨(dú)特能力。
材料組合
頂部圖像顯示數(shù)字設(shè)計(jì)及其打印形狀。紫色對(duì)應(yīng)于紫外線固化的硬環(huán)氧化物區(qū)域，而灰色區(qū)域是可見光固化的丙烯酸酯區(qū)域。在底部，3D打印的MASC徽標(biāo)變成了由剛性，不透明區(qū)域和柔軟透明區(qū)域組成的打印對(duì)象。
固化位置控制
研究人員面臨的主要障礙是優(yōu)化原料的化學(xué)性質(zhì)。他們首先考慮了兩種單體在一個(gè)桶中的表現(xiàn)。他們還必須確保單體具有相似的固化時(shí)間，以使每層內(nèi)的硬質(zhì)和軟質(zhì)材料在大約相同的時(shí)間內(nèi)完成干燥。
通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，研究人員現(xiàn)在可以通過紫外線或可見光確切地確定每種單體在打印物體內(nèi)固化的位置。
技術(shù)缺陷
UW-Madison化學(xué)教授A.J. Boydston帶領(lǐng)他最近與表示： “還有許多不完善之處，但這些都是令人興奮的新挑戰(zhàn)。”
現(xiàn)在，Boydston希望解決這些缺陷并回答未解決的問題，例如可以使用其他單體組合以及是否可以使用不同波長(zhǎng)的光來固化這些新材料。 Boydston還希望組建一個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，以增加波長(zhǎng)控制的多材料3D打印的影響。
施瓦茨表示，使用化學(xué)方法消除工程瓶頸正是3D打印行業(yè)向前發(fā)展所需要的。正是這種化學(xué)和工程界面將推動(dòng)該領(lǐng)域達(dá)到新的高度。
作者及分工
本研究由兩位威斯康星大學(xué)化學(xué)系的博士來完成
J. J. Schwart博士，負(fù)責(zé)了整個(gè)研究的設(shè)計(jì)和實(shí)施、3D打印、測(cè)試，數(shù)據(jù)分析、論文撰寫。
A. J. Boydston博士，構(gòu)思了這個(gè)創(chuàng)新想法并監(jiān)督了研究，數(shù)據(jù)分析、論文撰寫。
這項(xiàng)工作于2月15日在Nature Communications雜志上發(fā)表：
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