封面文章：低成本精度可變多尺度3D打印技術，高效率制造功能性微結構

來源：納米人

第一作者：Yuanrui Li
通訊作者：Wei Wu
通訊單位：南加州大學（美國）
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2019-3-29 20:34 上傳

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Bioinspired Functional Surfaces Enabled by Multiscale Stereolithography.pdf
研究亮點：
1. 提出了一種低成本精度可變多尺度3D打印技術，在將精度提高到37微米的同時提高了3D打印速度4.4倍。
2. 該技術填補了大體積高分辨率3維制造的空白，特別是用于制造具有微納結構表面的仿生材料。
3. 研究人員成功打印了大面積的具有微米尺度結構的仿生鯊魚皮，通過減阻測試，研究人員發(fā)現(xiàn)平均10%減阻效果。同時仿生荷葉結構樣品也被打印出來并且觀察到了超疏水效果。

3D打�。壕�度與速度之間的矛盾
目前3D打印技術已經可以獲得較高的精度，很多微尺度的結構都可以被很容易的制造出來。而且和傳統(tǒng)加工方式相比，3D打印技術有很多優(yōu)點。比如可以制造相對復雜的結構、節(jié)省材料、一體打印組裝件等等。但是目前高精度3D打印技術仍然沒有被大范圍的應用于工業(yè)生產中，這是因為如何在保持高精度的前提下提高打印速率是目前3D打印的一大技術難題。


為什么高精度和快速打印不可兼得呢？首先我們需要了解激光3D打印的成型原理，在傳統(tǒng)的3D打印的過程中，每次激光會停留在一處并且固化這個地方的樹脂然后再移動到下一處地方繼續(xù)固化該處的樹脂，如此反復最終獲得想要的結構。但是如果想要獲得高精度，就需要降低激光光點尺寸從而每次固化更少體積的樹脂，導致激光需要掃過更多的點從而大大降低了打印的速率。因此目前的3D打印技術很難在保證高精度的前提下同時達到較快的打印速度，這也大大制約了3D打印的應用前景。

圖1：3D打印過程中每次固化的樹脂體積元。為了提高精度10倍，所需要的體積元需增長103倍。

成果簡介
有鑒于此，南加州大學吳蔚課題組和陳勇課題組提出了精度可變多尺度3D打印技術，在保持較高精度的前提下，打印速率達到傳統(tǒng)3D打印技術的數倍。該研究為解決3D打印技術高精度和高速率的矛盾提供了新的思路。

圖2：期刊封底

要點1：精度可變多尺度打印機的設計
研究人員通過觀察發(fā)現(xiàn)，在實際應用中人們對于3D打印的物體往往只需要結構的表面具有較高精度而內部并不需要。在這種情況下，如果把打印物體的表面和內部分開處理，在打印內部時固化較大體積元的樹脂以提高打印速率而在打印表面時使用更小的體積元以提高精度。通過這種方法，就可以在保證表面高精度的前提下盡量提高整體打印速率。如下圖3所示，將打印物體的模型分成低精度內部和高精度表面，通過這種方式就解決了高精度和快速打印的矛盾。

圖3：將3D打印物件模型分成低精度內部和高精度表面

基于上述設計，研究人員設計了一臺可切換式3D打印機。在這臺儀器中一束405納米激光和一束445納米激光被用于固化樹脂，通過半透鏡，這兩束激光會通過同一光路經過一塊激光濾片。該激光濾片是基于納米壓印技術制造出來的，445納米激光將會完全通過此激光濾片，如圖4（b）所示。而405納米激光只能通過激光濾片的中央開孔，如圖4（c）所示。因此通過此激光濾片就可以調整兩束激光的光斑大小。

圖4：可切換式多尺度打印機和激光濾片工作原理

然后這兩束激光被反射到儀器中的樹脂皿用于固化樹脂。光斑大的445納米激光每次可以固化較大的樹脂體積元，而光斑很小的405納米激光每次只固化較小的體積元。在打印物體內部時使用大光斑激光以提高打印速率而打印物體表面時使用小光斑激光獲得很高的表面精度。這樣僅僅通過切換兩束激光的開關，就可以在高低精度間切換從而達到提高打印速率的目的。

要點2：仿生鯊魚皮&仿生荷葉的打印
如下圖5所示，利用可切換式3D打印機，研究人員打印出了內部具有仿生鯊魚皮結構的管道，通過流體阻力測試，他們發(fā)現(xiàn)無鯊魚皮結構的光滑管道的摩擦系數為0.046 ∓0.0017，如果加上仿生鯊魚皮結構，管道的摩擦系數會降到0.042 ∓0.0016，因此能夠獲得10%的平均減阻效果。研究人員同樣測試了不同尺寸的鯊魚皮結構并且發(fā)現(xiàn)高度為142微米的結構具有最理想的減阻效果。具有齒狀微結構的復雜結構仿生鯊魚皮也被成功打印（圖6）。

圖5：仿生鯊魚皮的實際打印樣品和減阻測試

圖6：具有齒狀微結構的仿生鯊魚皮

同時研究人員也打印出了仿生荷葉結構并且這種結構確實表現(xiàn)出了超疏水效果，其效果如下圖所示。

圖7：大自然中的荷葉和實際打印樣品對比

小結
這項發(fā)明成功的解決了傳統(tǒng)3D打印技術中高精度和快速打印的矛盾，并且在實際應用中，獲得了較快的打印速率的同時實現(xiàn)了很高的表面精度。這給3D打印在工業(yè)中的應用提供了新的思路，我們有理由相信，3D打印技術將會擁有更加廣闊的應用前景。

參考文獻：

Yuanrui Li, Wei Wu, et al. BioinspiredFunctional Surfaces Enabled by Multiscale Stereolithography. Advanced MaterialsTechnologies, 2019.
DOI: 10.1002/admt.201800638
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.201800638

來源：納米人