《Nature Commun》：双色拓扑体积3D打印的刚度控制！

来源：材料科学与工程

拓扑体积打印(TVP)物理反向拓扑成像，可以提供快速和无辅助3D打印。在此，来自丹麦技术大学的Yi Yang等研究者展示了波长敏感的光树脂可以使用可见光和紫外线光源在TVP装置中同时固化，以产生高精度的内部力学性能梯度。相关论文以题为“Stiffness control in dual color tomographic volumetric 3D printing”发表在Nature Communications上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28013-4

等级分支结构是自然和生物系统的标志。能够在合成系统中重建这些多尺度结构，以及其他生物启发的应用，将为工程具有临床相关大小的全血管化人工组织铺平道路。鉴于非常高的几何复杂性，人们倾向于使用增材制造(AM)技术来创建这样的结构。然而，构建一个多尺度结构需要一个内在的3D方法。如果n是表示目标几何的一个方向所需的体素数，则AM的处理时间用n3-D进行缩放，其中D为AM方法的固有维数。

在体积AM最近的进展，通过采用不同的策略来提高印刷速度。特别是，计算机轴向光刻(或断层体积3D打印，TVP)，被证明可以在与组织工程相关的长度尺度上进行操作。TVP物理反转计算机断层扫描(CT)，在光响应固化体中创建三维能量分布。通过从不同角度投射光线模式，TVP可以平行地修复物体上的所有点，从而切断了打印时间对体素数量的依赖。它本质上是3D的，报道的分辨率高达~80μm，但还有改进的空间。TVP可以比传统的AM方法快几个数量级，并可以与其他微加工方法或现有对象(套印)使用。当处理非常软的水凝胶或悬浮物时，TVP不需要辅助支撑，因为工件的几何完整性是由粘性的、未聚合的树脂维持的。

创新的设备设计和树脂种类的引入，也扩大了TVP的适用性。在TVP中，特定体素的期望入射剂量是通过从不同的方向照射它来实现的，因此，不打算被治愈的体素仍然会接受低剂量的光。因此，理想的固化状态是一个特征为诱导阈值，在此阈值以下什么也没有发生，然后固化程度随着剂量的变化而强烈上升。自由基光聚合的丙烯酸酯接近这个理想的诱导剂量定义的溶解氧，它作为自由基抑制剂，然后快速聚合的丙烯酸酯功能。此外，如果树脂浑浊度在交联后增加，工件的固化部分可能会分散分配给它在光路中阴影的体素的剂量，特别是在打印程序的最后旋转期间。巯基树脂在反应剂量时表现出更小的转变，并对单体转化和凝胶化提供更大的控制。这些树脂也表现出高度可调谐的机械反应，而丙烯酸酯基树脂提供很少或没有可调谐性。然而，巯基光树脂的诱导阈值会受到辐照度的影响。这种操作凝胶化的额外方法可能允许对工件几何形状进行更精细的控制，但由于光源操作功率的额外限制，它也会使工艺升级复杂化。

在此，研究者展示了丙烯酸酯和环氧单体的混合溶液，可以在双色TVP装置中固化，以实现内部力学性能的高精度控制。TVP擅长于将预先设定好的光照剂量，传递到3D中的特定点。当在多色模式下工作时，TVP指定每个体素的不同波长之间的剂量比，当使用上述的正交聚合时，它转换为体素逐个体素的化学和机械特性定制。将环氧单体引入到丙烯酸酯树脂中，也改变了其光响应的非线性，而不影响由自由基抑制剂浓度设定的固化阈值，为提高TVP打印输出的几何保真度提供了额外的可调性。

图1 在拓扑体积3D打印中，两个光源的协调赋予了定制工件内部力学性能空间变化的高度自由度。

图2 刚度可以在复杂形状的工件和所有三个笛卡尔方向上控制。

图3 在DCTVP中，可实现的刚度对比受到自由基聚合固化阈值的限制，该固化阈值由抑制剂的初始浓度决定。

综上所述，研究者表明，一个工件具有内部梯度的机械性能，可以产生使用DCTVP。然而，可实现的刚度对比可以限制，如果过度曝光的有害影响成为关注。目前，通过视觉检测和Jaccard指数对印刷品质量进行实验评价。此外，如果能在τopt处关闭自由基聚合，则打印和刚度控制将成为正交的，从而大大拓宽了可实现的性能范围。可以采用类似的策略，将工件固结限制在投影仪的焦点平面上，这将减少光束集光率对打印分辨率的有害影响。