南科大：離心多材料3D打印技術(shù)用于多功能復(fù)雜三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)快速一體化成型

來(lái)源：南科大官網(wǎng)、高分子科學(xué)前沿

南極熊獲悉，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系副教授葛锜團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表文章Centrifugal multimaterial 3D printing of multifunctional heterogeneous objects，提出了離心式DLP多材料3D打印方法，并研發(fā)了Centrifugal Multimaterial (CM) 3D打印系統(tǒng)，用于制造大幅面復(fù)雜三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并從體素尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的成分、性能與功能的精準(zhǔn)控制。

與單材料3D打印不同，多材料3D打印能夠在三維空間任意布置兩種或者更多性質(zhì)或功能截然不同的材料，這極大地豐富了3D打印的設(shè)計(jì)與制造能力。目前，多材料3D打印的實(shí)現(xiàn)方式主要以噴墨或者墨水直寫(xiě)為主。這些方法對(duì)于打印材料的多樣性，多材料結(jié)構(gòu)的特征尺寸都有一定的限制。數(shù)字光處理（Digital Light Processing - DLP）是一種高速、高精3D打印技術(shù)。但是，如何快速、有效地去除在材料切換過(guò)程所導(dǎo)致的大量粘附在結(jié)構(gòu)上的殘余液體，是實(shí)現(xiàn)DLP多材料3D打印的關(guān)鍵問(wèn)題。

如圖1所示，CM 3D打印系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最大幅面180 mm × 130 mm的多材料打印，并可同時(shí)打印四種以上材料。CM 3D打印系統(tǒng)適用于打印包括水凝膠、軟/硬高分子材料、形狀記憶高分子、導(dǎo)電彈性體，甚至陶瓷在內(nèi)的各種不同功能與性能的材料，打印材料的模量可跨越8個(gè)數(shù)量級(jí)（103 Pa to 1011 Pa)。

圖1 由 CM 3D打印系統(tǒng)制造的各種復(fù)雜三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，受哺乳動(dòng)物快速轉(zhuǎn)動(dòng)身體實(shí)現(xiàn)脫水啟發(fā)，CM 3D打印系統(tǒng)在多材料切換過(guò)程中，通過(guò)快速轉(zhuǎn)動(dòng)打印結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的離心力，實(shí)現(xiàn)殘余液體的快速無(wú)接觸去除。這種通過(guò)離心力去除殘液的方法受結(jié)構(gòu)尺寸、形狀，以及樹(shù)脂粘度影響較小。例如，陶瓷漿料殘液在CM 3D打印系統(tǒng)中可以輕松去除。

圖2. 離心式殘余樹(shù)脂去除原理

如圖3所示，CM 3D打印系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)黑白材料間無(wú)污染切換。黑白材料過(guò)渡界面尺寸100微米，優(yōu)于其它多材料3D打印技術(shù)。這一優(yōu)異特性使得我們可以設(shè)計(jì)與打印數(shù)字材料（Digital Materials）。通過(guò)精確調(diào)控軟硬體素微觀空間分布來(lái)，我們可以輕松調(diào)控?cái)?shù)字材料的宏觀力學(xué)性能。

圖3. CM 3D打印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字材料一體化打印

如圖4所示，CM 3D打印系統(tǒng)能夠?qū)⒉煌瑒偠取⒉煌�電�?dǎo)率的材料快速一體化集成。利用這一優(yōu)勢(shì)，我們?cè)O(shè)計(jì)并一體化打印了集驅(qū)動(dòng)、彎曲傳感、壓力傳感、溫度傳感于一體的軟體驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了抓取不同物體的信號(hào)識(shí)別，以及不同溫度下抓取信號(hào)感知和信號(hào)糾正。

圖4. CM 3D打印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多重感知集成軟體驅(qū)動(dòng)器

如圖5所示，CM 3D打印系統(tǒng)能夠一體化成型陶瓷生胚和高分子材料。利用這一優(yōu)勢(shì)，我們可以打印具有懸垂甚至懸空部分的陶瓷結(jié)構(gòu)。我們?cè)O(shè)計(jì)并打印了陶瓷軸承結(jié)構(gòu)。在打印結(jié)構(gòu)中，陶瓷滾子由高分子材料支撐。通過(guò)高溫?zé)�結(jié)，高分子材料被去除，打印的陶瓷軸承可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5. CM 3D打印系統(tǒng)一體化打印陶瓷-高分子集成結(jié)構(gòu)

南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系2020級(jí)博士生程健翔為論文第一作者，葛锜為論文唯一通訊作者，南科大為論文第一單位。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的支持。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35622-6