斯坦福大學(xué)新研究：動態(tài)優(yōu)化連續(xù)液體界面打印技術(shù)，獲得跨尺度精細結(jié)構(gòu)

導(dǎo)讀：在增材制造中，保持高打印速度的同時獲得微小復(fù)雜的三維聚合物結(jié)構(gòu)一直是一個挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)聚合物材料在微米長度尺度上的打印精度，大多數(shù)3D打印技術(shù)都采用了選擇了犧牲打印速度的打印方法。那么有沒有可能獲得打印又快又精確的復(fù)雜模型呢？斯坦福大學(xué)的研究者們給出了答案。

2022年4月，南極熊獲悉，斯坦福大學(xué)的研究者們發(fā)表了一項題為《Characterization of a 30 μm pixel size CLIP-based 3D printer and its
enhancement through dynamic printing optimization 》（《基于CLIP的30微米像素大小的3D打印機的特性，并通過動態(tài)打印優(yōu)化增強其性能》）的研究，實現(xiàn)了。研究者們利用CLIP打印系統(tǒng)和動態(tài)優(yōu)化相結(jié)合，快速制造了精細的梯形微針陣列和微晶格結(jié)構(gòu)，讓我們看看他們的具體研究吧！

連續(xù)液體界面生產(chǎn)（CLIP）
在3D打印技術(shù)中，連續(xù)液體界面打印技術(shù)（CLIP）是一種具有高度可擴展性、高打印速度、先進的樹脂打印技術(shù)、高精度和更好地控制物體表面粗糙度的技術(shù)。CLIP技術(shù)的核心是創(chuàng)造連續(xù)的液體界面，即死區(qū)。死區(qū)是由持續(xù)的氧氣供應(yīng)（由一種光聚合抑制劑提供）來創(chuàng)造和維持的，這種氧氣通過樹脂底部的高透氧性窗口送入。然后樹脂根據(jù)切片信息由光源進行固化。CLIP相比于其他3D打印技術(shù)有巨大的優(yōu)勢。

△高分辨3D打印技術(shù)的比較


△實驗過程示意圖和設(shè)備

動態(tài)打印
研究人員使用一個具有30微米分辨率的連續(xù)液體界面生產(chǎn)（CLIP）的3D打印系統(tǒng)，打印聚合物微結(jié)構(gòu)。為了探索30微米分辨率的CLIP 3D打印機的參數(shù)可控性，研究人員首先進行了動態(tài)打印研究，逐層改變曝光時間，觀察了打印效果。在三維垂直分辨率實驗中，研究人員觀察到在固定的紫外光強度下，需要對曝光時間進行微調(diào)，以獲得接近原始設(shè)計的打印結(jié)果。這一觀察結(jié)果指導(dǎo)研究人員為每個曝光層分配優(yōu)化的曝光時間和紫外線強度，在一次打印中實現(xiàn)各種支桿寬度制造的可能性（可以同時打印不同尺寸量級的支柱）。與傳統(tǒng)的靜態(tài)3D打印方法（對所有層使用相同的打印參數(shù)）相比，動態(tài)3D打印對每個層使用最佳打印參數(shù)，以實現(xiàn)接近原始設(shè)計的3D打印結(jié)構(gòu)，例如下圖的金字塔打印模型。

△靜態(tài)打印和動態(tài)打印的比較

動態(tài)三維打印被證明能夠顯著提高打印性能，并且能夠解決傳統(tǒng)靜態(tài)打印無法解決的三維微結(jié)構(gòu)的精細特征。 動態(tài)打印可以最終導(dǎo)致 "智能3D打印"，為未來的智能打印奠定基礎(chǔ)。智能打印流程：(1）用各種打印參數(shù)校準(zhǔn)樹脂，（2）3D結(jié)構(gòu)的STL分析算法（3）分配每層的自動打印參數(shù)

研究人員指出CLIP技術(shù)與30微米分辨率的投影透鏡系統(tǒng)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)二維和三維中30微米的最小可打印特征。通過在一次打印中動態(tài)優(yōu)化打印參數(shù)，能夠成功解決各種厚度跨越一個數(shù)量級（25-200微米）的懸垂支柱。為未來的智能打印提供了新思路。


△含有微細結(jié)構(gòu)的打印模型

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102800