Java|《Nature》子刊：多材料3D打印研究突破！实现大体积异质3D物体生成数据库

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【Java|《Nature》子刊：多材料3D打印研究突破！实现大体积异质3D物体生成】据悉，来自南方科技大学的葛琦教授团队进行了多功能异质物体离心多材料3D打印的相关研究。研究成果以“Centrifugal multimaterial 3D printing of multifunctional heterogeneous objects”为题发表在《Nature》子刊上。
摘要：利用多材料三维(3D)打印技术对具有不同属性和功能的精确排列，制造3D物体的需求日益增长。数字光处理(DLP)是一种适用于各种材料的高分辨率快速3D打印技术。然而，多材料3D打印对DLP来说是一个挑战，因为目前的多材料切换方法需要直接接触打印部件以去除残留的树脂。在此，我们报道了一种基于DLP的离心多材料(CM) 3D打印方法来生成大体积异质3D物体，其组成、性质和功能在体素尺度上可编程。离心力实现了非接触、高效的多材料切换，使CM3D打印机可以大面积(高达180毫米×130毫米)打印由水凝胶、功能聚合物甚至陶瓷等材料制成的异质3D结构。 CM 3D打印方法在制造数字材料、软体机器人和陶瓷器件方面表现了出色能力。
简介增材制造，也称为3D打印，是一种先进的制造技术，可以为广泛的应用创建复杂的3D对象。在传统的单一材料的3D打印技术之外，人们希望发展多材料3D打印能力来制造异质3D物体，其中具有不同性质和功能的体积元素(“体素”)可以精确地排列在3D空间。只有少数多材料3D打印系统通过选择性喷墨喷射通过光聚合固化的多个微液滴或开发通过高频材料切换产生连续多材料细丝的多喷嘴打印头来提供这种能力。然而，这些技术特殊的流变性要求限制了可印刷材料的多样性。通过打印喷嘴选择性沉积材料的方式也限制了特征尺寸和多材料过渡变焦的大小(补充图1) 。数字光处理(DLP) 3D打印是一种高分辨率快速增材制造技术，通过数字化紫外线照射形成3D结构，将液体光固化树脂转换为固体3D结构。 DLP可以打印各种材料，从水凝胶、弹性体、刚性聚合物、金属、陶瓷，甚至是形状可变、导电或自愈的功能性材料。近期的研究已经显著提高了DLP的打印分辨率、速度和建筑尺寸。尽管近年来在实现DLP多材料3D打印能力方面进行了探索，但大多数多材料切换过程都需要固体雨刷或流体流直接接触被打印部件，这限制了基于DLP的多材料3D打印的建筑尺寸小、可用材料有限、速度慢、材料污染严重、功能集成度低等问题。本文提出了一种基于DLP的离心多材料(CM) 3D打印方法，通过精确控制每个材料体素的空间排列，生成具有多种属性和功能的大体积异质3D物体。使用CM 3D打印系统，我们可以直接制造一个大体积的八体桁架结构(155 × 108 × 57 mm) ，其中白色和黑色单元在空间中交替排列(图1a) 。如图放大图所示， CM 3D打印系统能够在多材料切换过程中实现几乎零材料污染，从而可以清晰地打印出白色和黑色单元。 CM 3D打印系统可以打印两种以上的材料。图1b是由四种颜色组成的印刷八隅桁架结构(补充图2) ，其中白色、黑色、浅绿色和透明的单元从底部堆叠，四种颜色的单元交替放置在顶层。放大后的图像证实了不同材料之间的过渡是尖锐的，并且没有发现明显的材料污染。更重要的是， CM 3D打印系统适用于打印各种不同性质和功能的材料(补充图3) 。图1c展示了打印血管系统，其中红色血管嵌入透明水凝胶基质中。随着时间的推移，血管中的红色“血液”逐渐扩散到基质中。图1 d显示了开尔文泡沫结构柔软的聚合物层被夹在两层硬聚合物(视频1) 。图1 e演示了一个印刷Miura-origami表的硬聚合物面板连接的形状记忆聚合物铰链(SM)平Miura-origami表可以被编程一个3 d形状(视频2) 。图1 f提供了一个灵活的离子导电(IC)八隅体组成的桁架IC弹性体(ICE)核心包围了不导电软聚合物部分(视频3) 。此外， CM 3D打印系统还可以打印多种陶瓷。图1g展示了两种材料开尔文泡沫结构。经过烧结工艺，陶瓷-聚合物前驱体结构转变为纯陶瓷结构(杨氏模量:122.37 GPa ，补充图4) 。从图1h中可以看出，图1c-g中所用材料(补充图5)的杨氏模量跨度约为7个数量级。