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( 二 ) 数据库

图1:CM 3D打印系统生成的异构3D物体。 a大体积的两种材料的八隅桁架。比例尺， 10毫米。 b四材料八隅桁架。比例尺， 5毫米。 c由两种颜色的水凝胶组成的血管系统。 d开尔文泡沫与硬和软层。 e三浦折纸与硬聚合物面板和SM聚合物铰链。 f柔性IC八重奏桁架，由不导电软聚合物包围的ICE核心。由两种陶瓷制成的开尔文泡沫。 h CM 3D打印机可以打印的材料的杨氏模量的总结。比例尺(c-g) ， 10毫米。结果CM 3D打印系统的工作原理图2a展示了采用“自下而上”投影方法的大面积CM 3D打印系统的设置，其中数字化UV光从UV投影仪照射， UV投影仪位于垂直移动的打印平台下方，以控制每片的厚度。在打印平台和UV投影仪之间，有一个玻璃板，支撑两个或多个聚合物树脂容器，并水平移动，为相应的切片输送所需的树脂。更重要的是，我们增加了一个旋转电机，旋转打印平台，以清除多材料切换过程中粘在打印部件上的残余树脂(补充图6) 。图2b描述了打印两种材料的八体桁架的过程。步骤I打印出黑色部分的一片后，打印平台从黑色树脂容器中升起(步骤II) ，在图2c中可以清楚地看到黑色残留的树脂粘在被打印的部分上。第三步，旋转电机带动打印平台旋转，去除残留树脂。如图2d所示，残余的黑色树脂在离心力作用下被完全去除。然后，在第四步，继续打印完成白色部分。详细的打印和多材料切换过程可以在视频4中找到。相比之下，如果没有在打印平台上进行旋压，打印出来的结构和树脂容器都会受到严重污染(视频5和补充图7) 。而且，从补充图8中可以看出， CM 3D打印系统甚至可以打印出所有通道都垂直于离心力方向的多材料结构。在补充图9中，我们简要地说明了通过离心力去除残余树脂的过程细节。

图2：CM 3D打印系统工作原理。 a CM 3D打印系统的说明。 b多材料3D打印步骤。残余树脂在离开黑色树脂后粘附在打印结构上。 d离心力去除残留树脂。比例尺(c d) ，10mm 。 e离心力使非接触式清洁受到哺乳动物身体晃动的启发。 f离心力大面积清洗。 g纺纱时间和转速对hR影响的实验研究。不同η值的树脂h hR随纺丝时间的变化而变化。 i不同η的树脂在不同角速度下t10μm的模型预测。黑圈，实验数据。 j CM与之前报道的3D打印系统的分辨率-构建面积关系比较。 k CM 3D打印机可以打印的树脂的粘度模量的总结。 CM 3D打印数字材料为了研究纺纱速度对两种材料之间过渡变焦的影响，我们打印了由正交黑线和白色方块组成的网格图案。图3a为130×70mm栅格图案板，黑线宽度为1mm ，相邻黑线间距为2mm 。打印这么大面积的双料板，我们可以用来去除残留树脂的最大转速是6000转/分，超过这个转速，由于组装错误导致印刷平台重量分布不均匀，打印系统剧烈摇晃。需要注意的是，在打印质量在水平方向上分布不均匀的大体积多材料结构时，也可能引起剧烈的震动。这种不均匀的重量分布可以通过印刷额外的配重部件来平衡(补充图13) 。在6000 rpm旋转30 s时，过渡变焦约为150μm(图3a)(关于测量过渡变焦的详细信息请参见Methods) 。要打印面积较小的双材料板，最大旋转速度可以提高到10000 rpm ，这将过渡变幅降低到约100μm ，这比其他多材料3D打印技术(补充图1) 。如图3c所示，我们可以打印一个130×130毫米的字母，其中黑色字符清楚地嵌入到白板中。 CM 3D打印机还使我们能够设计和制造数字材料，其中机械性能可以通过控制硬体素和软体素的空间分布来调整(图3D) 。通过将硬体素含量从0增加到100% ，印刷数字材料的模量从0.8 MPa提高到1 GPa(图3e ，补充图14) 。印刷数字材料的能力允许我们只使用两种基础材料来设计和制造一个在不同位置表现出多种机械性能的单一部件(图3f) 。我们进一步将这种独特的能力应用到四维(4D)打印演示(图3g - j)中，用不同的数字材料形成手掌和五指，并在手的顶部打印一层水凝胶(图3g h) 。将手放入水中1 h后，水凝胶层的膨胀导致五指因模量不同而弯曲成不同的角度(图3i) 。将手放入水中6小时后，最终形成拳头(图3j) 。