連續(xù)3D打印技術(shù)已成為構(gòu)造3D結(jié)構(gòu)的最有前途的方法之一。但大多數(shù)基于UV固化的3D打印方法，與熔融沉積3D打印（FDM）或基于3D擠出的方法相比，其料利用率較低，難以實(shí)現(xiàn)按需打印。并且，在連續(xù)3D打印過程中，液體樹脂不可避免地附著在固化結(jié)構(gòu)的表面，其附著量會隨著打印速度和粘度的增加而增加；同時，由于連續(xù)打印固化過程中光源非圖案區(qū)殘光的影響，會導(dǎo)致額外的固化或打印不穩(wěn)定性，從而降低3D打印的分辨率。
為實(shí)現(xiàn)按需打印并同時提高打印過程的穩(wěn)定性，宋延林研究員團(tuán)隊(duì)提出了單墨滴3D打印的策略（視頻1），可以實(shí)現(xiàn)以單個墨滴為基本單元的可控制造精細(xì)3D結(jié)構(gòu)。他們在3D打印體系中引入可退浸潤的三相接觸線（TCL），大幅降低了液體樹脂在固化結(jié)構(gòu)表面的殘留，同時增加了3D打印體系中固液界面（包括液體樹脂與固化界面、液體樹脂與空氣之間的界面）的自由度及液滴的內(nèi)部樹脂循環(huán)，防止高速打印過程中樹脂額外固化導(dǎo)致的打印結(jié)構(gòu)凸起或臺階結(jié)構(gòu)，從而顯著提高了3D打印的精度。
視頻1 單墨滴3D打印實(shí)時過程
實(shí)現(xiàn)單墨滴3D打印的關(guān)鍵是三相接觸線的可控回縮，這涉及到液體樹脂與固化界面的粘附、固體樹脂與固化界面的粘附及液體樹脂與固體樹脂之間的粘附。對于固體樹脂與固化界面之間的粘附，該團(tuán)隊(duì)在之前的研究工作中提出了利用仿生超潤滑固化界面來減少固化樹脂與固化界面之間的粘附 (Research, 2018, 2018, 479560, Nature Communications, 2020, 11, 521)。除了仿生超潤滑表面，平滑的疏水表面和具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超雙疏表面也具有低粘附特性。他們基于上述表面進(jìn)行了單墨滴3D打印研究。
如圖1a-c所示，在平滑的疏水石英表面上，盡管三相線可以發(fā)生回縮，但由于固化樹脂與固化界面之間的粘附力大，單墨滴3D打印不能實(shí)現(xiàn)；在超雙疏結(jié)構(gòu)表面（圖1d-f），可以發(fā)生連續(xù)固化實(shí)現(xiàn)打印。但是由于超雙疏源于固定于微納復(fù)合結(jié)構(gòu)與液體樹脂之間的空氣層，因此連續(xù)打印的過程不夠穩(wěn)定，并且打印的結(jié)構(gòu)側(cè)壁有豎條紋結(jié)構(gòu)；而在仿生潤滑表面可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的固化，并將單個墨滴完全轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)的3D結(jié)構(gòu)（圖1g-i）。他們將三種固化表面與液體樹脂（γ1）、固態(tài)樹脂的粘附（γ2）及液體樹脂和固態(tài)樹脂之間的粘附（γ3）規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)只有同時滿足γ1>γ3，γ3>γ2才能實(shí)現(xiàn)單墨滴3D打。▓D1j-k）。這為單墨滴3D打印的通用性奠定了基礎(chǔ)。
圖1 光固化界面性質(zhì)對單墨滴3D打印的影響。 (a-c)，平滑疏水表面的打印過程，打印結(jié)構(gòu)形貌及機(jī)理分析。(d-f), 含有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超雙疏表面的打印過程，打印結(jié)構(gòu)形貌及機(jī)理分析。(g-i)，仿生超潤滑表面的打印過程，打印結(jié)構(gòu)形貌及機(jī)理分析。(j)，單墨滴3D打印過程中涉及的三個界面。(k)，單墨滴3D打印的規(guī)律。
該工作以“Continuous 3D printing from one single droplet”為題發(fā)表在Nature Communications（Nature Communications 2020, 11, 4685）上。論文的第一作者為中科院化學(xué)所博士生張虞，通訊作者為宋延林研究員，共同通訊作者為中科院化學(xué)所吳磊副研究員。該項(xiàng)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國家研究中心的支持。
論文連接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18518-1
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14366-1
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2018/4795604/
