DLP 3D打印工藝優化界面策略
3D打印，又稱增材制造，能夠將計算機輔助設計直接按需轉化為復雜結構。近年來，這項技術引起了廣泛關注。在各種方法中，數字光處理(DLP) 3D打印利用聚合物或預聚物作為墨水，已成為領先的新技術，這得益于定制生產、醫療保健、教育和藝術設計等不同領域的高需求。DLP 3D打印技術采用固化切片作為成型單元，因其同時實現高打印速度和分辨率的潛力而受到認可。
近日，來自中科院化學所宋延林研究員/吳磊副研究員從固相和液相之間的界面相互作用的角度總結了打印過程的關鍵方面，即速度、精度和材料多樣性優化，這些界面相互作用受樹脂形成、固化表面和光源特性的影響。這些相互作用包括液態樹脂-UV 圖案界面、固化結構-固化表面界面、液態樹脂-固化表面界面以及液態樹脂-固化結構界面，每種界面都對打印結果的獨特特性有所貢獻。最后，本綜述探討了DLP 3D打印當前的挑戰和局限性，為未來的改進提供了寶貴的見解，并指導了該領域的潛在創新。
相關綜述以“Recent Innovations in Interfacial Strategies for DLP 3D Printing Process Optimization”為題于2024年10月19日發表在《Materials Horizons》上。
1.DLP打印配置以及涉及的界面
根據光源與支撐板的相對位置不同，有兩種配置，包括紫外源位于支撐板上方的自上而下配置（圖2a）和紫外源位于支撐板下方的自下而上配置（圖2b）。兩種配置下，打印過程都是在受約束的界面之間進行的：自下而上，打印過程是在槽底與固化的三維結構之間進行的；自上而下，打印過程是在頂蓋與固化的三維結構之間進行的。兩種配置的調控策略具有通用性，因此作者主要介紹自下而上的配置。
由于這三個步驟實際上是在紫外圖樣、固化結構和固化表面之間的界面上進行的原位界面固化過程，從界面角度來看，對固化所涉及的界面的調控將影響打印過程和打印結果。對于整個打印過程，它涉及到紫外圖樣、液態樹脂、固化結構和固化表面之間的界面，如圖2c所示。作者主要總結了界面策略來調控固體固化表面、固體固化結構和液態樹脂的固液相接觸界面，這些界面受到光源、液態樹脂和固化表面的性質的影響。隨著不同固液界面的調控，所涉及界面處的固化或運動也隨之變化，從而導致不同的打印過程或打印結構性質，例如打印連續性、打印配置、打印效率以及受打印過程影響的3D打印結構的功能化或獨特性質。
2.液體樹脂- UV圖案界面
在紫外光照下，液態樹脂會在固化結構（第一層支撐板）與固化面的界面處固化（圖3a），因此紫外固化過程涉及紫外圖案、液態樹脂與固化面之間的界面，固化面在此起到物理約束的作用，抑制液態樹脂沿z軸方向的過度固化。液態樹脂-紫外圖案界面的調控可以通過紫外圖案調控和液態樹脂組分調控來實現。具體來說，紫外圖案的調控可以在傳統紫外投影儀的基礎上通過調控紫外投射強度分布或投射方式進行，也可以通過改造紫外投影儀來調控光路進行。
對于不改造紫外投影儀的光強分布調控，如圖3b所示，主要基于正面光聚合和光聚合誘導的體積收縮來影響膜結構內部固化程度的差異，經過后處理或在外界刺激下可變形為三維形貌。正面光聚合是在厚層液態樹脂內部進行，在一側受到紫外光照，隨著作用時間的增加，光衰減和光聚合差異向非光照液體側擴散。固化過程中，由于單體和交聯劑之間形成共價鍵，材料體積減小，產生不均勻的體積收縮，前沿移動，相應的應力場和彎曲趨勢也隨之產生。進一步結合光強模式復雜性，豐富了xy方向的制造參數，通過系統的打印工藝設計，可以制備彎曲結構和3D折紙結構。
3.固化結構-固化表面界面
液態樹脂在紫外光照射下聚合成固化結構后，需要離開或脫離固化面，為下一液態層的生成騰出空間，從而進行層層固化堆疊，實現3D構建。固化結構-固化表面界面的調控主要影響固化結構與固化表面的分離過程以及液態樹脂在固化表面的后續固化（圖4a）。最優化的情況是實現三個步驟的同時處理，這實際上首先會實現打印的連續性，其次也會優化打印精度。其次，可以利用聚合物框架內部膨脹的惰性液體覆蓋層作為固化表面來減少3D打印過程中的粘連現象，無論液體樹脂類型如何，都可以降低固化結構與固化表面之間的粘附性。固化表面的滑溜特性可以賦予界面更快的液體樹脂鋪展特性，從而導致固化結構與固化表面之間更高的液體樹脂重新填充速度，從而生成新的液體樹脂層以進行持續固化，部分解決了樹脂重新填充現象的第二個障礙，并賦予了更通用的打印過程。
4.液態樹脂-固化表面界面
伴隨著固化結構與固化面的分離過程，液態樹脂要重新填充固化結構與固化面之間新產生的縫隙，從而生成新的液層以供下一層固化堆積。如前所述，由于固化面或固化結構與固化面之間液相鋪展速度慢而導致的樹脂填充不足是實現連續打印過程的障礙之一，樹脂填充不足會減慢打印過程，導致打印缺陷和失敗。因此液態樹脂-固化面界面的調控主要影響樹脂填充的速度和傾向，從而影響打印的連續性，進一步影響填充層內的材料分布，進而影響整個三維結構。
5.液態樹脂-固化結構界面
液態樹脂—固化結構界面的調控可分為兩種情況，即在結構外表面和固化表面周圍的固化區域。第一種界面主要影響打印過程中或打印后的后處理過程中液態樹脂在固化結構外表面的覆蓋過程，以調控打印結構的輪廓及DLP 3D打印的打印流程（圖6）。對于固化區域周圍液態樹脂-固化結構界面的界面調控，可以在不引入額外器件的情況下擴展具有多材料兼容特性的DLP 3D打印。傳統上，與3D噴墨打印和直接墨水書寫增加噴嘴數量類似，增加所涉及的液態樹脂數量可以增加3D結構的材料范圍和多樣性。此外，徹底清除每一層黏附的液態樹脂也是提高邊界精度的另一種方法。通過調節液態樹脂-固化結構界面，可以控制打印過程、打印結果和3D結構的復雜性。
綜上，本文首先介紹了兩種不同的打印配置、打印過程以及DLP 3D打印技術所涉及的界面，隨后總結了最近基于界面調控的DLP 3D打印的打印過程、速度、精度和材料多樣性優化的科學嘗試，包括液態樹脂-UV圖案界面對打印速度和配置的優化，固化結構-固化表面界面對打印連續性優化，液態樹脂固化表面界面對打印過程、結果和性能的調控，液態樹脂-固化結構界面對打印結果和材料復雜性優化。這些調節影響打印過程、設備配置以及3D打印結構的形態和物理特性。最后，作者展望了DLP 3D打印方法未來的挑戰和進步。
文章來源：
https://doi.org/10.1039/D4MH01160K
(責任編輯：admin)
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