今日Science：流動液體界面實現快速，大容量的熱控3D打印技術

今日Science：流動液體界面實現快速，大容量的熱控3D打印技術

【研究背景與進展】

3D打印是一種極具前景的增材制造方法，目前傳統的3D打印技術是立體光刻技術（SLA），是一種很有前途的塑料印刷方法，它通過使用紫外線固化液態光活性樹脂光來制備由二維層疊層組成的三維物體。這種傳統的SLA技術存在界面“死層”問題，研究者提出了一種稱為連續液體界面印刷的變體SLA技術，利用氧氣抑制來打印過程中的反應“死層”。 這一“死層”防止了打印物體的部分與打印缸底部之間的粘合，避免了重復機械地從打印缸上切割零件。這種連續打印方法將垂直打印速度提高兩個數量級，同時消除上述逐層層壓方法固有的材料缺陷。然而，用于這種變體SLA技術的聚合反應會產生較高的溫度，并且在高速印刷下，設備散熱是一個巨大的挑戰。此外，氣態氧的輸送限制了使用傳統的周邊冷卻方案。

今日，Science在線發表了一篇題為“Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface”的文章，通訊作者是美國西北大學David A. Walker教授和James L. Hedrick教授的。該文章報道了一種用于聚合物部件的立體光刻三維打印方法，使用可移動液體界面（氟化油）來減少界面和打印對象之間的粘附力，實現了連續快速打印。

【圖文簡介】

圖1 支持連續打印的流動界面剖面圖

(A)從HARP 3D打印機中出現的3D打印部件的方案。（B）不同流速下印刷件下的速度剖面，表明存在滑移邊界。（C）在該部分下面的滑動邊界流剖面圖中插入了一個具有代表性的實驗觀測流剖面圖。

圖2 3D打印部件的紅外熱像圖

(A)固定打印接口。（B）移動接口。（C）主動冷卻的移動接口。

圖3 制造現成材料和解決方案

(A)類-ABC聚氨酯丙烯酸酯樹脂制備的Ⅰ型狗骨結構表現出各向同性的力學性能。（B）HARP還能實現高空間分辨率和打印保真度。（C）計算機斷層掃描。（D）沿打印方向的典型高度剖面掃描。（E）輪廓測量數據的分析允許計算算術表面粗糙度。（F）盡管存在表面粗糙度，最大拉伸應力仍然保持特征尺寸不變。

圖4 兼容多種打印材質

（A）硬質可加工聚氨酯丙烯酸酯部件。（B）后處理碳化硅陶瓷印刷晶格（綠色聚合物前體的印刷速率。（C和D）印刷丁二烯橡膠結構。（E）聚丁二烯橡膠。（F）在不到3小時內印刷1~1.2米硬聚氨酯丙烯酸酯晶格。

【小結】

該研究使得SLA-3D打印技術在吞吐量、移動接口設計和材料通用性方面取得了重大進步，解決了與大面積、大對象三維打印相關的幾個問題。但是作者提出該領域仍然存在一些巨大的挑戰，包括開發能夠保持高側向分辨率并通過接口傳遞高性能的高速光學系統。此外，高垂直速度的立體光刻系統還受到低粘度和低收縮性樹脂的限制，這些樹脂可用于產生具有工業相關性能的結構。

文獻鏈接：Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface, 2019, Science, DOI: 10.1126/science.aax1562.