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普适性高速高精度3D打印新突破——构筑二维超低粘附表面

作者: 宋延林,方绚莱

时间: 2019-12-06 14:30

近日,中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组与美国麻省理工学院方绚莱教授等合作,提出了一种普适性的高速、高精度3D打印策略,相关成果以“Bioinspired Ultra-Low Adhesive Energy Interface for Continuous 3D Printing”为题发表在《Research》(Research, 2018 DOI: 10.1155/2018/4795604)上,并被选做为封面文章。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

论文地址:https://spj.sciencemag.org/research/2018/4795604/

研究背景

3D打印是一种通过增材制造的方式来构造三维结构的快速成型技术,可以显著提高生产效率,减少材料与资源的浪费。但目前采用逐层或逐点打印的3D打印技术,其打印速度和精度都受到很大限制;2015年《Science》报道了连续液膜(CLIP)3D打印技术,虽然可以实现连续快速打印,但其原理是基于氧气对自由基聚合的阻聚作用,而形成的连续液膜,因而打印材料的普适性受到限制,只适用于自由基聚合的材料体系。同时,氧气的引入还会降低打印精度并造成材料缺陷

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2015年《Science》报道的连续液膜(CLIP)3D打印技术

研究进展

近日,中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组和麻省理工学院的方绚莱教授等开展合作,通过模仿猪笼草的超润滑特性,设计制备了具有超低粘附性质的表面,克服了以往3D打印固化过程中样品与界面的粘附难题,使打印材料可以高精度连续快速成型,从而实现连续高速3D打印;同时,该方法克服了对树脂种类的要求,具有广泛普适性。这种通过二维界面性质控制三维结构成型的策略为3D打印的发展提供了新思路。

该3D打印体系的示意图如下,其核心为作为光固化界面的超低粘附表面,是实现高速、高精度和普适性3D打印的关键。通过采用仿猪笼草口缘结构制备的超润滑表面作为光固化界面(图(a)-(c))。

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(a)猪笼草口缘低粘附表面示意图

(b-c)采用超润滑表面降低界面粘附的示意图

超润滑表面固定的液体润滑层大大降低了光固化分离过程中的界面粘附性,并显著提高了分离后液体树脂回流的速度,因而可以实现连续快速3D打印,且打印时间只与打印高度相关(图(d))。

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(d)连续3D打印样品照片,打印时间只取决于打印高度

未来展望

利用构筑超低粘附表面作为光固化界面的3D打印体系,使得连续快速打印块体结构和悬空结构成为可能,如下图所示。该表面对不同光聚合方式的打印材料具有普适性,并可用于改进已有商用3D打印机的光固化界面,使其打印精度和使用寿命显著提高,可望发展成为极具应用前景的工业3D打印技术。

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(a-c)块体3D结构的快速打印

(d-f)无支撑材料打印悬空结构

往期回顾:

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