密歇根大學Sci. Adv.：通過體積聚合抑制圖案化實現快速、連續地增材制造

【引言】

增材制造（AM）方法通常稱為三維（3D）打印，可以制造出一些比較復雜的物體，其內部特征是傳統方法無法獲得的，該技術通常通過連續添加薄層材料產生3D結構。操作簡單和幾乎無限的設計選擇使得AM非常適合用于生產定制和原型零件，包括從定制醫療設備到汽車和航空航天部件的小批量生產。目前，諸如熱塑性塑料、聚合物樹脂和無機粉末等材料都已被用作AM介質。立體光刻AM是一種有趣的方法，通過使用可光聚合樹脂和圖案化照明源來固化所需幾何形狀的橫截面層。立體光刻AM的速度取決于構建平臺的平移方向，主要受到固化聚合物粘附到投影窗口或樹脂表面干擾的限制，因而需要在連續層之間進行耗時的分離或重涂步驟。因此，這些系統中的打印速度范圍從每小時幾毫米到幾厘米不等。最近發展的一種連續液體界面生產技術通過使用透氧性投射窗口解決了這一缺陷，從而實現了每小時幾百毫米的平移速度連續生產零件。然而，AM系統還不能實現無需移動構建平臺的任意3D對象生產。

【成果簡介】

近日，美國密歇根大學的Martin P. de Beer教授（通訊作者）和Harry L. van der Laan教授（通訊作者）合作開發了一種AM系統，其能夠使用單次曝光打印3D結構，還可以以相對較高的線速度連續打印。該工藝使用了一個成形頭，并向上拉出可光聚合樹脂和兩個不同波長的照明源。通過從下方透明玻璃窗的圖案化照明引發樹脂聚合，而第二波長的照射抑制緊鄰玻璃窗的聚合反應，從而達到消除粘附和連續操作的目的。該工藝的打印速度約為2米/小時，而且能夠與多種樹脂相容。此外，通過調節每個像素上的光源強度，還可以在沒有階段平移的條件下實現表面形貌的圖案化。該成果以題為" Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patterning"發表在國際著名期刊Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

圖1 同步雙色光引發和光抑制

(a) 通過同步光聚合和光抑制實現雙色SLA的光學裝置；

(b) 光引發劑CQ；

(c) 共同引發劑EDAB；

(d) 光抑制o-Cl-HABI；

(e) CQ（實心藍線）和o-Cl-HABI（紫色虛線）在四氫呋喃中的紫外-可見光譜；

(f) 使用雙色光聚合/光抑制立體光刻系統分別以500和375毫米/小時打印出固體塊M（左）和拖船（右）；

(g) 聚合抑制體積厚度與入射輻射波長和樹脂吸光度的變化強度比的關系。

圖2 通過雙色光引發和光抑制實現快速、連續的添加劑制造

(a) 使用光抑制實現Argyle模型的連續打印；

(b) 對于四種丙烯酸酯基樹脂配方，固化厚度與藍光劑量的關系；

(c) 最大垂直打印速度與不同藍色吸光度高度的關系。

圖3 波長選擇性光引發和自由基介導的鏈增長光聚合的光抑制

(a) 雙酚A乙氧基化二丙烯酸酯(BPAEDA)；

(b) 三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)；

(c) 雙酚A甘油二甲基丙烯酸酯(bisGMA)；

(d) 三甘醇二乙烯基醚(TEGDVE)；

(e) N-（正丙基）馬來酰亞胺(NPM)；

(f) 對于BPAEDA樹脂配方，烯烴轉化率與時間的關系；

(g) 對于bisGMA/TEGDMA樹脂配方，烯烴轉化率與時間的關系；

(h) 對于TEGDVE/NPM樹脂配方，烯烴轉化率與時間的關系。

圖4 雙色光引發和光抑制實現了復雜3D結構的可控遠表面圖案化

(a) 用于強度圖案打印的裝置；

(b) 使用可變強度圖像可以按像素方式調整I_UV，0 / I_blue，0，從而產生抑制高度的變化進而產生印刷部分形貌；

(c) 密歇根大學密封的四級強度圖像；

(d) 通過單次強度圖案曝光產生的可變厚度部件。

【小結】

本文中，作者展示了一種快速連續立體光刻增材制造的新方法，其通過使用含有互補光引發劑和抑制劑物質的（甲基）丙烯酸酯樹脂配方的雙色照射來實現。在該方法中，通過在一個波長處的照射產生的光致圖案化的聚合抑制體積在空間上限制由同時照射的第二波長引發光聚合的區域。此外，使用該方法產生的抑制體積使得能夠局部控制聚合區域厚度，從而影響單次曝光和形貌圖案化。與傳統的分層增材制造方法只能提供緩慢的物體制造速度不同，連續立體打印大大提高了打印速度并產生具有光滑表面的物體。

文獻鏈接：Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patterning??(Sci. Adv. 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aau8723)

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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