制造高功能梯度的灰度数字光处理3D打印技术

来源：EngineeringForLife ，作者EFL

3D打印的应用已经从快速成型逐渐扩展到组织工程、电子器件和软体机器人等多个方面。但目前大多数3D打印方法只能打印具有单一材料属性或多个离散材料属性的零件，而无法控制复杂的机械梯度。正因为如此，在单次打印过程中实现具有材料特性可调的功能梯度材料的3D打印变得越来越重要。

发表于Science Advances 期刊的一篇研究论文提出了一种基于DLP 3D打印原理的灰度处理3D打印方法，可进行力学性能可控结构的3D打印。

功能梯度达3个数量级
研究论文的题为“Grayscale digital light processing 3D printing forhighly functionally graded materials”。该研究首先通过灰度处理将打印图案进行光固化，从而使特定位置的结构具有定制化的力学特性，然后进行第二步热固化来消除大部分残留单体并增强性能梯度。通过使用这种方法，可以实现打印结构力学性能的定制化分布，其可用作2D和3D晶格、晶胞结构的打印，并可用于超材料的功能化应用。

首先，研究人员设计了一种利用两步固化混合墨水的打印系统（图1）。通过使用matlab代码对切片后每幅图像进行处理，从而根据所需的属性生成灰度分布，随后再对处理成灰度图案的各个层的图像进行打印。

图1 通过两步固化的DLP 3D打印功能梯度材料。

其次，研究人员利用DLP 技术可以打印空心结构这一优点，设计和制造了多种打印结构，并通过特定的灰度处理来控制打印结构的压缩变形（图2）。

图2 超材料通过灰度处理DLP打印实现多种功能化应用。

出于打印材料在不同的驱动温度下表现出形状记忆效应这一现象（图3），研究人员对几种不同结构进行了DLP 打印制造，结果显示在温度变化后打印结构的形态也发生了改变。

图3 灰度处理DLP打印复合材料在顺序形状记忆聚合物组件和4D打印中的应用。

最后，研究人员通过改变与灰度相关的漫射率从而使灰度处理图案可视化(图4)，打印出的可视化图案在可见光下不明显，但在紫外光下可显示出来，其可通过结合荧光素的着色功能实现在加密和防伪方面的应用。

图4 通过扩散辅助着色对分级材料进行加密。

总的来说，该研究提出了一种利用灰度处理的DLP打印技术，并辅以温度固化，从而实现了形状复杂、功能定制化零件的高精度制造。同时，这种两步固化策略可以推广到具有相同化学概念的其他树脂材料体系。灰度处理DLP产生的可广泛调节的机械梯度为3D打印带来了新的功能特性组合。

不可忽视的是，该方法仍存在一些急需解决的问题。首先，打印结构的分辨率会受到打印机、打印材料及打印参数的影响。其次，所用材料分子结构和打印结构力学性能之间的关系需要进一步利用纳米尺度的机械测试和建模方法来进一步了解。展望未来，灰度处理DLP打印方法在手术前模型规划、软体机器人以及防伪等方面的应用具有极大的潜力。