三维灰度数字光打印技术制造高功能梯度材料学术资讯

使用两阶段固化油墨的g-DLP 3D打印技术可制造高功能梯度材料。

红外光谱展示了实际打印过程中的两阶段固化情况。

g-DLP打印复合材料在有序SMP器件和4D打印中的应用（左）。梯度材料通过扩散辅助方式加密（右）。

3D打印或添加制造作为一类极具发展前景的设计和制造方法，近年来受到了广泛的关注。研究人员已经将其应用范围逐渐扩展到组织工程、电子设备、软机器人和高性能超材料等领域。然而，大多数3D打印技术只能使用单一材料打印部件，无法进行内聚控制。而大部分天然结构（如肌腱或骨头），都是由不同种类的材料组成的。功能梯度材料（FGM）作为替代材料，对高基材的性能提高很有帮助。因此，针对FGM的3D打印技术在材料科学中的作用越来越显著。

phys.org网站5月21日报道，《科学进展》等杂志发文称，来自中国和加拿大等国家的跨学科团队开发了一种3D灰度光数字打印技术（g-DLP）。研究人员利用灰度光模式和两阶段固化油墨制得了高分辨率的FGM。为了验证方法的可行性，研究人员还利用g-DLP技术制造了复杂的二维和三维网格和负泊松比超材料等样品。

虽然研究人员也可以利用PolyJet技术同时在打印设备上沉积不同的材料。但该方法存在设备成本过高、对树脂材料的要求较严、打印分辨率较低等明显缺陷。其他打印方法，如熔丝积层技术和直写成型技术等，打印速度过慢，也未再深入研究。在最近的一项技术中，研究人员开发了CLIP技术，该技术实现了真正意义上的突破，也为新技术提供了借鉴。在新方法中，研究人员Kuang等开发了新的两阶段固化混合油墨以及配套的g-DLP 3D打印技术。混合油墨中主要包含双酚A乙氧基丙烯酸酯（BPADA）、甲基丙烯酸缩水甘油醚（GMA）、二胺交联剂、丙烯酸正丁酯（BA）、光引发剂和光吸收剂等。树脂材料可以通过调整单色光强度来逐层固化，与CLIP技术类似。

Kuang等证实，g-DLP 3D打印技术对光强有非线性依赖性，并建立了反应动力学模型对其时间依赖性进行了检验。此外，研究人员还对光吸收剂-分辨率关系、光固化过程中的化学结构演变和材料力学性能等进行了研究。Kuang等使用有限元建模（FEM）预测了材料结构的梯度特性和形变率。实验结果与单点弯曲行为的模拟结果吻合良好。

下一阶段，研究人员计划对g-DLP 3D打印技术进行优化，以进一步扩展其应用范围。例如直接制造出二维/三维晶格、超材料、特殊防伪码等。

科界原创

编译：雷鑫宇

审稿：西莫

责编：唐林芳

期刊来源：《科学进展》、《自然·生物技术》、《自然》

期刊编号：2375-2548, 0028-0836, 1087-0156

原文链接：https://phys.org/news/2019-05-d-grayscale-digital-g-dlp-highly.html