制造高功能梯度的灰度數字光處理3D打印技術

來源：EngineeringForLife ，作者EFL

3D打印的應用已經從快速成型逐漸擴展到組織工程、電子器件和軟體機器人等多個方面。但目前大多數3D打印方法只能打印具有單一材料屬性或多個離散材料屬性的零件，而無法控制復雜的機械梯度。正因為如此，在單次打印過程中實現具有材料特性可調的功能梯度材料的3D打印變得越來越重要。

發(fā)表于Science Advances 期刊的一篇研究論文提出了一種基于DLP 3D打印原理的灰度處理3D打印方法，可進行力學性能可控結構的3D打印。

功能梯度達3個數量級
研究論文的題為“Grayscale digital light processing 3D printing forhighly functionally graded materials”。該研究首先通過灰度處理將打印圖案進行光固化，從而使特定位置的結構具有定制化的力學特性，然后進行第二步熱固化來消除大部分殘留單體并增強性能梯度。通過使用這種方法，可以實現打印結構力學性能的定制化分布，其可用作2D和3D晶格、晶胞結構的打印，并可用于超材料的功能化應用。

首先，研究人員設計了一種利用兩步固化混合墨水的打印系統（圖1）。通過使用matlab代碼對切片后每幅圖像進行處理，從而根據所需的屬性生成灰度分布，隨后再對處理成灰度圖案的各個層的圖像進行打印。

圖1 通過兩步固化的DLP 3D打印功能梯度材料。

其次，研究人員利用DLP 技術可以打印空心結構這一優(yōu)點，設計和制造了多種打印結構，并通過特定的灰度處理來控制打印結構的壓縮變形（圖2）。

圖2 超材料通過灰度處理DLP打印實現多種功能化應用。

出于打印材料在不同的驅動溫度下表現出形狀記憶效應這一現象（圖3），研究人員對幾種不同結構進行了DLP 打印制造，結果顯示在溫度變化后打印結構的形態(tài)也發(fā)生了改變。

圖3 灰度處理DLP打印復合材料在順序形狀記憶聚合物組件和4D打印中的應用。

最后，研究人員通過改變與灰度相關的漫射率從而使灰度處理圖案可視化(圖4)，打印出的可視化圖案在可見光下不明顯，但在紫外光下可顯示出來，其可通過結合熒光素的著色功能實現在加密和防偽方面的應用。

圖4 通過擴散輔助著色對分級材料進行加密。

總的來說，該研究提出了一種利用灰度處理的DLP打印技術，并輔以溫度固化，從而實現了形狀復雜、功能定制化零件的高精度制造。同時，這種兩步固化策略可以推廣到具有相同化學概念的其他樹脂材料體系�；叶忍幚鞤LP產生的可廣泛調節(jié)的機械梯度為3D打印帶來了新的功能特性組合。

不可忽視的是，該方法仍存在一些急需解決的問題。首先，打印結構的分辨率會受到打印機、打印材料及打印參數的影響。其次，所用材料分子結構和打印結構力學性能之間的關系需要進一步利用納米尺度的機械測試和建模方法來進一步了解。展望未來，灰度處理DLP打印方法在手術前模型規(guī)劃、軟體機器人以及防偽等方面的應用具有極大的潛力。