日本横滨国立大学开发出3D打印多色微结构

来源：江苏激光联盟

导读：据悉，来自日本横滨国立大学的研究团队开发了一种自动三维打印方法，可以使用不同的材料产生多色三维微结构。该研究成果9月16日发表在光学学会杂志Optical Materials Express上。

近年来，通过集成多种材料而能够生产高功能3D结构的多材料3D打印起了人们的关注，并且已经开发了多种制造方法。例如，已经证明了使用材料注入方法的全色3D打印、通过使用粉末床熔融方法已经制造了多色3D聚合物结构和金属结构。2019年11月来自哈佛大学的研究团队在Nature上传的"Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing"一文公布了他们的研究成果，开发出了多喷嘴挤出3D打印（3D打印再登《Nature》，可实现多种材料128个喷头同时打印引），该技术可用于创建多色3D模型和功能设备，例如执行器和软机器人。

立体光刻技术是一种高分辨率和精确的3D打印技术，通过使用激光以逐层方式硬化称为光固化树脂的光活化材料来建立高精度的3D结构。它扩展了可以同时使用的材料，并且可以创建使用多种材料的功能性设备。例如，该研究团队的领导人Maruo就基于圆柱的自由表面方法，开发了一种多材料制造方法。该方法，通过向缸罐的上部添加不同的材料，同时降低缸体中的基板而无需清洗工艺，逐层替换光固化树脂。在该方法中，设备简单，并且易于切换材料。但是，由于在缸体的上部添加了其他树脂，因此会产生树脂污染，无法再利用。另一个重要的问题是，由于逐层处理，如果没有残留树脂的洗涤过程，则无法在同一平面上使用多种树脂。

该文第二作者Hana等人提出了另一种多材料立体平版印刷方法，该方法通过使用带有用于微流体控制的阀的通道将区域中的材料挤出并替换为下一种不同的材料。这种方法可用于在同一平面内用多种树脂创建多材料3D结构。然而，由于树脂是通过挤压通道内的前一树脂和下一树脂来代替的，所以由于树脂的直接接触，可能会发生树脂污染。因此，必须供应大量树脂来完全替换腔室内的树脂，以消除污染，废树脂的量也会增加。

Kowsari等人开发了另一种能够储存多种材料的方法。他们使用了一个平移的线性平台，其中放置了不同树脂的多个液滴，为制作多材料3D模型提供了几种类型的树脂。这种方法的优点在于，材料可以容易地更换，无需通过微流体控制来供应材料。然而，在当前的设备中，粘附到3D模型周围的未固化树脂仅使用鼓风机吹掉，而没有使用清洁溶液除去未固化树脂。因此，根据3D模型的形状和复杂性，移除未固化树脂的过程可能无效。综上所述，在切换材料时要避免不同的树脂相互污染，又不会在打印物体上产生大量废料或形成气泡是一个难题，因此目前多材料立体光刻仍然存在挑战。

优化彩色立体光刻
在这项新工作中，研究人员开发了一种将各种材料保持在液滴状态的方法，这使它们可以更轻松地在封闭空间（例如微通道）中进行交换而不会产生浪费。为了抑制气泡，每次更换树脂时，在树脂内部移动3D打印结构。他们还集成了两步过程，以在更换树脂时彻底清洁3D打印结构以防止交叉污染。

为了实施这种优化方法，研究人员创建了一个调色板来容纳多种树脂，并将其这个调色板和两个清洁槽、一个空气喷嘴放置在电动平台上。该研究团队的领导人Maruo表示所有过程，包括3D打印、树脂替换、气泡去除和清洁，都是使用他们开发的软件顺序进行的。这使得多色三维微结构可以自动生成。

△研究人员创建了一个调色板来容纳多种树脂，并将这个调色板和两个清洁槽、一个空气喷嘴放置在电动平台上，这样就可以按顺序执行所有过程，以自动生产多色3D微结构。图片来源：横滨国立大学Shoji Maruo

△由两种类型的树脂组成的立方体模型，这些树脂是通过去除气泡过程制成的。(a)鸟瞰图. (b)前视图. (c)顶视图

制作3D多色模型
研究人员通过将各种类型的光固化树脂放在调色板中并使用它们创建3D微结构来测试该方法。对于其中一个演示结构（一个直径仅为1.5毫米、堆叠间距为30μm、堆叠数量为50层的微型多色立方体），3D打印系统在6小时的制造过程中交换了五种颜色的树脂250次。通过堆叠四种颜色的树脂（红色、蓝色、黄色和绿色），模型的透光光谱会发生变化。因此，可以证明立方体的颜色根据观看方向而改变。多色立方体模型的总制造时间为360分钟。相反，当使用单一树脂执行3D制造而不替换树脂时，制造时间仅为14分钟。因此，为了缩短制造时间，必须更换树脂并移动平台以尽可能快地去除气泡。

△用多色树脂制造的立方体模型。(a)多色3D模型. (b)鸟瞰. (c)侧视图. (d)顶视图

研究人员还表明，调节多色树脂的层数可以调节结构各部分的吸光度，从而使它们可以通过组合红色、蓝色、绿色和黄色层来创建具有黑色等颜色的微结构。

多色十字形的制作。(a)3D模型的鸟瞰图. (b)3D模型的俯视图. (c)鸟瞰图. (d)顶视图

Maruo表示这种方法不仅可以应用于多色树脂，而且可以应用于多种材料。例如，将各种陶瓷微粒或纳米颗粒与光固化树脂混合，可以用于3D打印各种类型的玻璃。它也可以与生物相容性陶瓷材料一起使用，以制造用于再生骨骼和牙齿的支架。

研究人员现在正在努力缩短更换树脂和去除气泡等过程所需的时间，以加快制造速度。他们还计划使用他们先前证明的技术来构建多尺度制造系统，其中通过修改聚焦透镜和激光曝光条件，可以将制造分辨率从不到一微米更改为几十微米。

参考文献：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).

本文来源：DOI: 10.1364/OME.401810