日本橫濱國(guó)立大學(xué)開(kāi)發(fā)出3D打印多材料多色彩微結(jié)構(gòu)的新方法

2020年9月21日，南極熊從外媒獲悉，日本橫濱國(guó)立大學(xué)(YNU)的研究人員設(shè)計(jì)了一種新的3D打印方法，能夠使用不同的材料3D打印多色微結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)基于立體光刻技術(shù)(SLA)讓幾種樹(shù)脂處于液滴狀態(tài)，這使得它們?cè)诖蛴∵^(guò)程中可以進(jìn)行交換，而不會(huì)造成空隙或交叉污染。利用他們新穎的生產(chǎn)工藝，科學(xué)家們創(chuàng)造出了許多多色多材料的物體，同時(shí)產(chǎn)生的浪費(fèi)較少。

研究人員稱(chēng)，新的打印方法可用于生產(chǎn)一系列的光學(xué)部件，如傳感器和執(zhí)行器，甚至可用于醫(yī)療行業(yè)內(nèi)。

YNU研究項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Shoji Maruo說(shuō)："將多種材料結(jié)合在一起，可以創(chuàng)造出用單一材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。像我們這樣的方法，可以實(shí)現(xiàn)多材料結(jié)構(gòu)的單步制造，省去了組裝工序，可以實(shí)現(xiàn)高精度、低成本的設(shè)備生產(chǎn)。"

△橫濱研究人員開(kāi)發(fā)了一種裝置，可以防止材料切換時(shí)的交叉污染，圖片來(lái)自YNU

多材料3D打印的魅力

多材料3D打印方法，可以利用各種不同樹(shù)脂的特點(diǎn)，創(chuàng)造優(yōu)化的高功能結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，世界各地的研究人員都在開(kāi)發(fā)自己的多材料打印方法。

來(lái)自哥倫比亞大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種綽號(hào)為 "反向激光燒結(jié) "的技術(shù)，它可以同時(shí)燒結(jié)多種類(lèi)型的粉末。同時(shí)，德國(guó)3D打印機(jī)制造商voxeljet也優(yōu)化了高速燒結(jié)（HSS）工藝，以提供具有多材料特性的部件。

Stratasys在過(guò)去幾年中也通過(guò)J750系統(tǒng)提供了多材料解決方案，在2017年Formnext上首次亮相。

然而，根據(jù)橫濱科學(xué)家的說(shuō)法，這些方法都有類(lèi)似的缺陷。在現(xiàn)有的多材料SLA中，樹(shù)脂被擠出，然后在同一通道內(nèi)迅速切換。

由此產(chǎn)生的交叉污染，使樹(shù)脂無(wú)法重復(fù)使用，經(jīng)常需要更換，導(dǎo)致材料浪費(fèi)增加。雖然可以引入清洗工藝來(lái)減少浪費(fèi)，但這通常會(huì)限制可以使用的樹(shù)脂數(shù)量，首先就違背了多材料打印的目的。

△利用他們新穎的生產(chǎn)方法，研究人員能夠同時(shí)使用四種不同的3D打印材料，圖片來(lái)自《光學(xué)材料快報(bào)》雜志

橫濱團(tuán)隊(duì)的新型3D打印方法

為了克服之前開(kāi)發(fā)的SLA技術(shù)的缺點(diǎn)，橫濱團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種兩階段的清洗工藝。首先，制作一個(gè)玻璃調(diào)色板，可儲(chǔ)存多滴樹(shù)脂和兩個(gè)清洗溶劑罐。然后，調(diào)色板被安裝到線性平移平臺(tái)上，其中第二個(gè)罐中的空氣吹掃裝置用于干燥材料，消除任何交叉污染的可能性。

△材料更換和清洗的流程

在測(cè)試他們的新型3D打印方法時(shí)，研究人員注意到，當(dāng)他們交換光固化樹(shù)脂時(shí)，3D模型中開(kāi)始形成氣泡�？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)很難通過(guò)減慢過(guò)程來(lái)抑制氣泡，于是他們嘗試著將模型水平移動(dòng)，同時(shí)保持在調(diào)色板上方，并留下一個(gè)小的間隙。

△清洗過(guò)程中通過(guò)清洗工藝的不同進(jìn)行污染評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。(a) 使用透明和綠色樹(shù)脂的立方體模型，(b)只使用一次清洗的樹(shù)脂立方體模型的側(cè)視圖。
（c）同時(shí)進(jìn)行一次和二次清洗的立方體模型側(cè)視圖。

利用他們修改后的生產(chǎn)方法，團(tuán)隊(duì)能夠?qū)�氣泡推出打印區(qū)域，使3D打印出的物體不存在任何空隙。研究人員后來(lái)重新測(cè)試了他們的技術(shù)，將多種不同的光固化樹(shù)脂放入他們的調(diào)色板中，并利用它們制造出各種微小的微結(jié)構(gòu)。

△橫濱團(tuán)隊(duì)通過(guò)3D打印一個(gè)具有四種不同顏色的50層立方體來(lái)測(cè)試他們的新方法，圖片來(lái)自《Optical Materials Express》雜志

在一次這樣的實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)花了6個(gè)小時(shí)完成，通過(guò)交換五種顏色的樹(shù)脂250次，創(chuàng)造了一個(gè)多色的50層立方體。對(duì)3D打印物體的總結(jié)評(píng)估驗(yàn)證了科學(xué)家們的方法，因?yàn)樗麄兂晒Φ貙⒍喾N樹(shù)脂集成到一個(gè)產(chǎn)品中，而沒(méi)有造成任何污染或空隙。

Maruo說(shuō)："這種方法不僅可以應(yīng)用于多色樹(shù)脂，還可以應(yīng)用于更廣泛的材料，例如，將各種陶瓷微顆�；蚣{米顆粒與光固化樹(shù)脂混合，可以用來(lái)3D打印各種類(lèi)型的玻璃。它還可以與生物相容性陶瓷材料一起使用，以創(chuàng)建用于再生骨骼和牙齒的支架。"

在團(tuán)隊(duì)初步測(cè)試成功后，他們認(rèn)為他們新穎的SLA 3D打印方法是成功的�？茖W(xué)家們不僅成功地防止了任何交叉污染，而且他們還證明了可以同時(shí)使用四種不同的材料。團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，他們的技術(shù)可以部署在生產(chǎn)功能性終端設(shè)備的過(guò)程中，應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

Maruo總結(jié)道："使用3D打印制造多材料微尺度光學(xué)元件的能力，可以幫助用于醫(yī)療治療和診斷的光學(xué)設(shè)備的小型化，這可以提高在身體內(nèi)或身體上使用這些設(shè)備的能力，同時(shí)還可以使它們成為一次性的，這將有助于提供先進(jìn)和安全的醫(yī)療診斷。"

研究人員的研究結(jié)果詳見(jiàn)他們?cè)凇禣ptical Materials Express》雜志上發(fā)表的題為 “Multi-material microstereolithography using a palette with multicolor photocurable resins,”的論文。論文由Taiki Maruyama、Hotaka Hirata、Taichi Furukawa和Shoji Maruo共同撰寫(xiě)。


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2020-9-21 13:38 上傳

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編譯自：3dprintingindustry