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近年來，小到3D打印手辦、大到3D打印建筑，3D打印為人們的生活帶來了更多可能性。作為一種逐層的增材制造技術(shù)，3D打印使得個性化訂制或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品擺脫了昂貴、耗時的模具制造。

自下而上的數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)具有分辨率高、樹脂消耗少、材料適應(yīng)性強等突出優(yōu)點。然而，逐層疊加的制造方式導(dǎo)致的低生產(chǎn)率成為其大規(guī)模制造應(yīng)用中的一個主要障礙。在這類技術(shù)中，樹脂和固化窗之間需要一個分離界面來避免兩者之間的粘合。常規(guī)的含氟高分子分離膜FEP與打印物體分離時的離型力較大，導(dǎo)致打印過程不穩(wěn)定，打印速度低。而現(xiàn)有的以CLIP技術(shù)為代表的快速3D打印技術(shù)普遍需要復(fù)雜的設(shè)備或者昂貴的消耗品。因此，亟需一種簡單、經(jīng)濟、通用的方式來提高3D打印的速度。

近期，浙江大學(xué)寧波研究院化工分院智能制造團隊謝濤教授、吳晶軍助理研究員聯(lián)合浙江大學(xué)化工學(xué)院趙騫教授、浙江大學(xué)航空航天學(xué)院宋吉舟教授開創(chuàng)性地提出了以軟物質(zhì)水凝膠作為分離界面，利用該界面在厚度方向上能產(chǎn)生較大的可恢復(fù)形變，降低離型力，從而實現(xiàn)快速打?。?00 mm/h）。該研究以題為“Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature Communications》上。

水凝膠分離界面的構(gòu)筑

  DLP打印過程通常分為三個步驟：液體樹脂的光固化、構(gòu)建平臺的移動和液體樹脂的再填充。其中，運動和調(diào)平動作最為耗時，這主要是由于新固化的樹脂層和樹脂罐的固化窗之間存在附著力，為防止粘聚失效只能緩慢分離。如圖1所示，在本項工作中，團隊在玻璃固化窗口原位合成了聚丙烯酰胺水凝膠（PAAm）作為分離界面，該界面不僅具有高的透過率，而且不能與大多數(shù)常見的光敏樹脂混溶。此外，通過改變交聯(lián)劑的含量，可以實現(xiàn)凝膠層模量的調(diào)控。

圖1. a) 以水凝膠層作為玻璃窗與液體樹脂之間的分離界面的DLP打印設(shè)備的示意圖；b) 軟變形界面上的剝離過程示意圖；c) 水凝膠單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；d）由玻璃罐和水凝膠層組成的固化窗的透明度；e）不同成分水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；f）不同水凝膠的拉伸模量。

離型力的評估及其分離機理

  團隊通過將力傳感器安裝到打印機的平臺上來測量實時的離型力，研究發(fā)現(xiàn)：凝膠模量越低，材料越軟，離型力越?。荒z厚度越大，沿厚度方向發(fā)生表觀位移時，實際的應(yīng)變和相應(yīng)的離型力也會越小。換句話說，水凝膠模量的減小或厚度的增加，都會使應(yīng)力更加集中在打印樣品的邊緣，所需驅(qū)散裂紋傳播的負載也越小，離型力越小。而越低的離型力越有利于實現(xiàn)更高的打印速度。在此，團隊將商用的氟化乙烯丙烯（FEP）膜與水凝膠分離界面在分離力方面進行了對比（圖2），且將該體系的分離機理與常用的PDMS界面進行了對比（圖3），并進行了力學(xué)建模和分析（圖4）。

圖2. 分離力的評估及可打印性

圖3. 利用PDMS和水凝膠界面層進行分離機理的比較

圖4. 含水凝膠界面的打印過程的力學(xué)建模和分析

兼容多種樹脂

該水凝膠界面對于各種可光固化的液體樹脂具有普適性（如圖5）：除了剛性的丙烯酸酯樹脂外，團隊通過打印聚氨酯丙烯酸酯橡膠、形狀記憶聚合物（SMP）等，得到了具有多樣化功能的物體。

團隊將軟、厚的水凝膠作為分離界面，直接集成到商用的DLP打印機中，在打印速度、樹脂兼容性和打印可靠性等方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，有望實際應(yīng)用于大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。

圖5. 與水凝膠界面兼容的多種代表性樹脂

  浙江大學(xué)寧波研究院化工分院智能制造團隊吳晶軍助理研究員長期從事光固化3D打印工藝和材料研究。針對光固化3D打印技術(shù)在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的若干關(guān)鍵問題，相繼在熱塑性高分子光固化3D打印原理及其超高速成型工藝（Adv. Mater. 2019, 31, 1903970）、變形材料超快速4D打印（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 32408）、可編程光固化3D打印材料（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 15584）、高性能光固化3D打印彈性體（產(chǎn)品開發(fā)落地）等方面取得創(chuàng)新。成果有望解決現(xiàn)有光固化3D打印效率低、成品功能性差等局限，推動光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用。