佐治亚理工学院齐航教授《AFM》：让DLP技术实现单墨多色打印

来源: 高分子科学前沿  

数字光处理（Ditigal light processing, DLP）是一种快速、高分辨率的增材制造技术：该技术借助紫外投影仪将产品截面图形投影到液体光敏树脂表面，以逐层固化的方式快速得到精细的三维物体。然而，要想实现多色3D打印，通常需要复杂的多墨槽协同装置，并辅以换槽清洗工序以避免交叉染色。因此，高效的多色数字光处理打印成为一个挑战。



近日，佐治亚理工学院齐航教授团队与多团队合作，利用一种生物染料实现了单一墨槽（Single-vat）多颜色DLP 3D打印。在传统的DLP打印过程中，紫外光导致光引发剂释放的自由基，从而固化墨水形成3D结构。该团队发现自由基在固化墨水的同时还能使该染料由蓝色变为黄色，借助这种变色机制，通过控制光固化打印过程中的局部紫外光剂量可以产生一系列渐变颜色，从而实现多色DLP打印。文章以“Multi-color 3D Printing via Single-Vat Grayscale Digital Light Processing（基于单墨槽灰度数字光处理的多色三维打印）”为题，在线发表于 《Advanced Functional Materials》上。


图1：打印方法与机理示意图 （所有图片比例尺：10 mm）

单墨槽多色数字光处理打印的原理如摘要图与图1所示。团队通过控制数字光处理3D打印使用的切片图案灰度，进而实现在像素级的自由基局部浓度控制，借此得到不同程度的染料氧化变色效果。变色过程发生在光敏树脂聚合反应转化率饱和之后，因此不会造成材料力学性能的异化。文中选用了一种蓝色的蒽醌衍生物染料（溶剂蓝104，SolventBlue 104）来展示这一方法，结果显示，不同光敏范围的光引发剂也都能实现类似的效果，将投影图片中由暗到亮的灰度映射到打印物体之上，形成蓝绿黄多级渐变色谱。



图2：颜色变化表征

为了在三维物体中实现精确可控的颜色变化，团队选用溶剂蓝104与光引发剂PI 819进行了一系列表征。仅含有染料与光引发剂的溶液样品经过不同剂量的紫外光照射后呈现了一系列颜色渐变（图2a），并借助紫外-可见光吸收光谱得以表征（图2b）。团队进一步表征了不同打印参数（投影切片灰度值与单层光固化时间）与变色树脂体系变色程度（Degree of color change, DoCC）的关系（图2c），并借助CIELAB色彩空间对样品变色程度进行量化标定（图2e），为实际打印过程的参数选择提供了重要的依据。



图3：彩色三维地形模型打印

作为展示，团队设计了一套用于打印彩色三维地形模型的算法。如图3所示，该算法能够将光固化投影图片的灰度与地形模型的海拔高度映射对应起来，并将普通的白色数字光处理3D打印切片转换为合适的灰度切片。这一颜色梯度极大地丰富了实际打印出的模型的视觉信息含量。



图4：有限元仿真结果的三维可视化

除此之外，该方法还可以将有限元分析的三维结果直接打印出来。团队使用Python脚本，将有限元分析软件（ABAQUS）生成的工程应变运算结果直接切片生成对应的灰度图片，而在打印结果中展示出对仿真运算结果的三维可视化还原。



图5：（a）更为通用的多色三维模型设计、切片处理方法。（b-f）复杂艺术花瓶的切片、参数优化与打印。（g-h）非透明墨水的颜色信息加密。

更进一步地，团队在文中提出了更为通用的多色三维模型的切片处理方法，并且展示了一个嵌有复杂艺术花纹的彩色花瓶的切片、参数优化过程，以及细节丰富的打印结果实物照片。值得一提的是，借助精准的变色程度定量表征，研究人员可以进一步提高打印切片的灰度值，并相应地缩短相应切片的打印时间，以更高的效率得到相同的变色结果。例如，一层灰度为GL120 (RGB 120/255)需要24秒打印的图案可被优化转化成灰度为GL255 (RGB 255/255)而只需3秒打印的图案，这样动态差异化的逐层打印时间大大缩短了打印的总用时（30%）。文章还展示了使用不透明墨水得到颜色信息加密结构，外表平平而内藏玄机。



图6：由打印后选择性紫外光照处理得到的多色结构

除了打印过程中的原位变色，团队还开发了打印后的选择性紫外光照处理方法，直接将设计好的图案投影到物体表面，从而能够更方便快捷地得到需要的物体表面颜色。另一方面，由于材料体系对紫外光与氧化的敏感性，此方法打印出来的物体颜色的固定与保护还有待进一步的研究。

该工作提出了一种简单有效地多色数字光处理打印方法。除了蓝绿黄渐变色系，其他不同颜色的（包括红色，绿色，紫色等）蒽醌衍生物染料也被证实能实现类似的变色效果。借此，普通的单墨槽数字光处理3D打印机无需改装便可以高效地实现多色打印，极具前景与应用价值。

该论文的通讯作者为佐治亚理工学院齐航教授，第一作者为佐治亚理工学院博士生彭锡睿。文章合著者包括佐治亚理工学院博士后岳亮博士，梁斯庄博士，博士生Stuart Montgomery，施乐集团路春亮博士和Chieh-Min Cheng博士，佐治亚理工学院Raheem Beyah教授，以及斯坦佛大学赵芮可教授。


原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202112329