日本橫濱國立大學(xué)開發(fā)出3D打印多色微結(jié)構(gòu)

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，來自日本橫濱國立大學(xué)的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種自動三維打印方法，可以使用不同的材料產(chǎn)生多色三維微結(jié)構(gòu)。該研究成果9月16日發(fā)表在光學(xué)學(xué)會雜志Optical Materials Express上。

近年來，通過集成多種材料而能夠生產(chǎn)高功能3D結(jié)構(gòu)的多材料3D打印起了人們的關(guān)注，并且已經(jīng)開發(fā)了多種制造方法。例如，已經(jīng)證明了使用材料注入方法的全色3D打印、通過使用粉末床熔融方法已經(jīng)制造了多色3D聚合物結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)。2019年11月來自哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊在Nature上傳的"Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing"一文公布了他們的研究成果，開發(fā)出了多噴嘴擠出3D打印（3D打印再登《Nature》，可實(shí)現(xiàn)多種材料128個噴頭同時打印引），該技術(shù)可用于創(chuàng)建多色3D模型和功能設(shè)備，例如執(zhí)行器和軟機(jī)器人。

立體光刻技術(shù)是一種高分辨率和精確的3D打印技術(shù)，通過使用激光以逐層方式硬化稱為光固化樹脂的光活化材料來建立高精度的3D結(jié)構(gòu)。它擴(kuò)展了可以同時使用的材料，并且可以創(chuàng)建使用多種材料的功能性設(shè)備。例如，該研究團(tuán)隊的領(lǐng)導(dǎo)人Maruo就基于圓柱的自由表面方法，開發(fā)了一種多材料制造方法。該方法，通過向缸罐的上部添加不同的材料，同時降低缸體中的基板而無需清洗工藝，逐層替換光固化樹脂。在該方法中，設(shè)備簡單，并且易于切換材料。但是，由于在缸體的上部添加了其他樹脂，因此會產(chǎn)生樹脂污染，無法再利用。另一個重要的問題是，由于逐層處理，如果沒有殘留樹脂的洗滌過程，則無法在同一平面上使用多種樹脂。

該文第二作者Hana等人提出了另一種多材料立體平版印刷方法，該方法通過使用帶有用于微流體控制的閥的通道將區(qū)域中的材料擠出并替換為下一種不同的材料。這種方法可用于在同一平面內(nèi)用多種樹脂創(chuàng)建多材料3D結(jié)構(gòu)。然而，由于樹脂是通過擠壓通道內(nèi)的前一樹脂和下一樹脂來代替的，所以由于樹脂的直接接觸，可能會發(fā)生樹脂污染。因此，必須供應(yīng)大量樹脂來完全替換腔室內(nèi)的樹脂，以消除污染，廢樹脂的量也會增加。

Kowsari等人開發(fā)了另一種能夠儲存多種材料的方法。他們使用了一個平移的線性平臺，其中放置了不同樹脂的多個液滴，為制作多材料3D模型提供了幾種類型的樹脂。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，材料可以容易地更換，無需通過微流體控制來供應(yīng)材料。然而，在當(dāng)前的設(shè)備中，粘附到3D模型周圍的未固化樹脂僅使用鼓風(fēng)機(jī)吹掉，而沒有使用清潔溶液除去未固化樹脂。因此，根據(jù)3D模型的形狀和復(fù)雜性，移除未固化樹脂的過程可能無效。綜上所述，在切換材料時要避免不同的樹脂相互污染，又不會在打印物體上產(chǎn)生大量廢料或形成氣泡是一個難題，因此目前多材料立體光刻仍然存在挑戰(zhàn)。

優(yōu)化彩色立體光刻
在這項新工作中，研究人員開發(fā)了一種將各種材料保持在液滴狀態(tài)的方法，這使它們可以更輕松地在封閉空間（例如微通道）中進(jìn)行交換而不會產(chǎn)生浪費(fèi)。為了抑制氣泡，每次更換樹脂時，在樹脂內(nèi)部移動3D打印結(jié)構(gòu)。他們還集成了兩步過程，以在更換樹脂時徹底清潔3D打印結(jié)構(gòu)以防止交叉污染。

為了實(shí)施這種優(yōu)化方法，研究人員創(chuàng)建了一個調(diào)色板來容納多種樹脂，并將其這個調(diào)色板和兩個清潔槽、一個空氣噴嘴放置在電動平臺上。該研究團(tuán)隊的領(lǐng)導(dǎo)人Maruo表示所有過程，包括3D打印、樹脂替換、氣泡去除和清潔，都是使用他們開發(fā)的軟件順序進(jìn)行的。這使得多色三維微結(jié)構(gòu)可以自動生成。

△研究人員創(chuàng)建了一個調(diào)色板來容納多種樹脂，并將這個調(diào)色板和兩個清潔槽、一個空氣噴嘴放置在電動平臺上，這樣就可以按順序執(zhí)行所有過程，以自動生產(chǎn)多色3D微結(jié)構(gòu)。圖片來源：橫濱國立大學(xué)Shoji Maruo

△由兩種類型的樹脂組成的立方體模型，這些樹脂是通過去除氣泡過程制成的。(a)鳥瞰圖. (b)前視圖. (c)頂視圖

制作3D多色模型
研究人員通過將各種類型的光固化樹脂放在調(diào)色板中并使用它們創(chuàng)建3D微結(jié)構(gòu)來測試該方法。對于其中一個演示結(jié)構(gòu)（一個直徑僅為1.5毫米、堆疊間距為30μm、堆疊數(shù)量為50層的微型多色立方體），3D打印系統(tǒng)在6小時的制造過程中交換了五種顏色的樹脂250次。通過堆疊四種顏色的樹脂（紅色、藍(lán)色、黃色和綠色），模型的透光光譜會發(fā)生變化。因此，可以證明立方體的顏色根據(jù)觀看方向而改變。多色立方體模型的總制造時間為360分鐘。相反，當(dāng)使用單一樹脂執(zhí)行3D制造而不替換樹脂時，制造時間僅為14分鐘。因此，為了縮短制造時間，必須更換樹脂并移動平臺以盡可能快地去除氣泡。

△用多色樹脂制造的立方體模型。(a)多色3D模型. (b)鳥瞰. (c)側(cè)視圖. (d)頂視圖

研究人員還表明，調(diào)節(jié)多色樹脂的層數(shù)可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)各部分的吸光度，從而使它們可以通過組合紅色、藍(lán)色、綠色和黃色層來創(chuàng)建具有黑色等顏色的微結(jié)構(gòu)。

多色十字形的制作。(a)3D模型的鳥瞰圖. (b)3D模型的俯視圖. (c)鳥瞰圖. (d)頂視圖

Maruo表示這種方法不僅可以應(yīng)用于多色樹脂，而且可以應(yīng)用于多種材料。例如，將各種陶瓷微粒或納米顆粒與光固化樹脂混合，可以用于3D打印各種類型的玻璃。它也可以與生物相容性陶瓷材料一起使用，以制造用于再生骨骼和牙齒的支架。

研究人員現(xiàn)在正在努力縮短更換樹脂和去除氣泡等過程所需的時間，以加快制造速度。他們還計劃使用他們先前證明的技術(shù)來構(gòu)建多尺度制造系統(tǒng)，其中通過修改聚焦透鏡和激光曝光條件，可以將制造分辨率從不到一微米更改為幾十微米。

參考文獻(xiàn)：M. A. Skylar-Scott, J. Mueller, C. W. Visser, and J. A. Lewis, “Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing,” Nature 575(7782), 330–335 (2019).

本文來源：DOI: 10.1364/OME.401810