神奇的3D打印：如何快速將一滴墨水變成一顆牙齒
時(shí)間：2020-10-28 11:34 來(lái)源：科普中國(guó)-科普融合創(chuàng)作與傳播看過(guò)科幻電影《終結(jié)者2》的朋友對(duì)里面的液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000一定印象深刻，在電影中，T-1000的身體是由可還原記憶的液態(tài)金屬構(gòu)成，可以在液態(tài)和固態(tài)中自如轉(zhuǎn)換，被破壞后能夠自我還原，受傷或中彈后傷口還能夠自動(dòng)閉合，令人嘆為觀止!
（圖片來(lái)源：電影《終結(jié)者2》）
藝術(shù)來(lái)源于生活，科幻就是人們對(duì)未來(lái)科技發(fā)展的一種幻想。看到如此神奇的機(jī)器人，很多科研工作者也坐不住了，有的想到研究液態(tài)金屬，有的考慮將這種獨(dú)特的“能力”運(yùn)用于3D打印。你沒(méi)看錯(cuò)，就是3D打印，那么如何進(jìn)行應(yīng)用呢？下面就為大家揭曉謎題。
單墨滴3D打印，又省材料又可靠
3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用聚合物樹(shù)脂、金屬、陶瓷、納米復(fù)合物等可打印材料，基于逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造三維立體結(jié)構(gòu)的技術(shù)。該技術(shù)在珠寶、鞋類(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車(chē)、航空航天等多種領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
在眾多3D打印技術(shù)中，基于光固化的連續(xù)3D打印技術(shù)已成為構(gòu)造3D結(jié)構(gòu)最有前途的方法之一。然而，相比于基于擠出成型的3D打印方法，其材料利用率較低，而且在連續(xù)3D打印過(guò)程中，液體樹(shù)脂會(huì)不可避免地附著在固化結(jié)構(gòu)的表面，其附著量會(huì)隨著打印速度和粘度的增加而增加；同時(shí)，由于光散射的存在，導(dǎo)致非圖案區(qū)中的樹(shù)脂發(fā)生額外的固化，從而降低了打印的穩(wěn)定性和精度。
為提高材料利用率及打印過(guò)程的穩(wěn)定性，中科院化學(xué)所宋延林研究員課題組提出了一種單墨滴3D打印策略，利用界面操作方法就能制備出具有可控形貌的精細(xì)3D結(jié)構(gòu)。他們通過(guò)在3D打印體系中引入可退浸潤(rùn)的三相接觸線（TCL），可顯著減少液體樹(shù)脂在固化結(jié)構(gòu)表面的殘留；同時(shí)還降低了界面粘附，并且增加了液體內(nèi)部樹(shù)脂的流動(dòng)，可防止高速打印過(guò)程中樹(shù)脂由于持續(xù)處于高強(qiáng)度輻照狀態(tài)下導(dǎo)致的打印結(jié)構(gòu)凸起或臺(tái)階結(jié)構(gòu)，從而顯著提高3D打印的精度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)一滴成型。這種利用單個(gè)墨滴高效構(gòu)建精細(xì)3D結(jié)構(gòu)的策略對(duì)于節(jié)約墨水材料、按需個(gè)性化制備具有重要的意義。研究成果近日發(fā)表于《Nature Communications》上（Nat. Commun., 2020, 11, 4685）。
利用該技術(shù)打印一顆牙齒（圖片來(lái)源：作者提供）
“一滴成型”是如何實(shí)現(xiàn)的？
利用單個(gè)墨滴就能精確打印出你想要的東西，聽(tīng)上去是不是很神奇。那么這一過(guò)程是如何實(shí)現(xiàn)的呢？研究人員發(fā)現(xiàn)，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，這主要涉及3D打印體系中三個(gè)界面間粘附力值的相對(duì)大小：即液體樹(shù)脂與固化界面的粘附、固體樹(shù)脂與固化界面的粘附及液體樹(shù)脂與固體樹(shù)脂之間的粘附。為研究具有不同界面性質(zhì)的基底對(duì)單墨滴打印過(guò)程的影響，研究人員選擇了三種不同結(jié)構(gòu)的低粘附基底：光滑的氟化石英基底、具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超雙疏基底及潤(rùn)滑基底來(lái)進(jìn)行研究。
在光滑的氟化石英基底上，盡管三相線可以發(fā)生回縮，但由于固化樹(shù)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)；在具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超雙疏結(jié)構(gòu)基底上，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印。但由于超雙疏的產(chǎn)生源于微納復(fù)合結(jié)構(gòu)與液體樹(shù)脂之間形成的空氣層，因此連續(xù)打印過(guò)程不穩(wěn)定且打印結(jié)構(gòu)有豎直條紋；在潤(rùn)滑基底上，單墨滴可完全轉(zhuǎn)化為所設(shè)計(jì)的3D結(jié)構(gòu)，且打印結(jié)構(gòu)具有光滑側(cè)壁。
研究人員對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，得出實(shí)現(xiàn)單墨滴3D連續(xù)打印需滿足的兩個(gè)條件，即液體樹(shù)脂與固化樹(shù)脂間的粘附（γ1）應(yīng)大于液體樹(shù)脂與固化界面之間的粘附（γ3），同時(shí)液體樹(shù)脂與固化界面之間的粘附（γ3）應(yīng)大于固化樹(shù)脂與固化界面的粘附（γ2），這為單墨滴3D打印的普適性奠定了基礎(chǔ)。
光固化界面性質(zhì)對(duì)單墨滴3D打印的影響（圖片來(lái)源：作者提供）
研究人員進(jìn)一步研究了單墨滴3D打印的材料凈利用率，即洗凈的3D結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與液滴質(zhì)量的比值。發(fā)現(xiàn)隨液滴質(zhì)量的增加，單墨滴材料利用率降低；隨著UV投影面積的增加，單墨滴材料利用率增加；隨著樹(shù)脂的三維分布增大或長(zhǎng)寬比的增大，單墨滴材料利用率降低，因此可通過(guò)以上因素調(diào)控單墨滴打印的凈利用率，實(shí)現(xiàn)一滴成型。
墨滴尺寸和UV圖案參數(shù)對(duì)單墨滴3D打印材料利用率的影響（圖片來(lái)源：作者提供）
研究人員基于單墨滴3D打印制備了三種不同的精細(xì)牙齒結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出打印結(jié)構(gòu)表面光滑，且與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有相同的形貌，可完全與牙齒模型嵌合，也就是說(shuō)打印結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)可控性和邊緣完整性，并具有極高的材料利用率。
單墨滴3D打印牙齒結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：作者提供）
雖然聽(tīng)起來(lái)復(fù)雜又高深，但3D打印是能切實(shí)應(yīng)用于生活中的、為我們帶來(lái)便利的一項(xiàng)技術(shù)。希望科學(xué)家們未來(lái)能發(fā)明出更多更節(jié)能的打印方式，讓3D打印更好地造福于我們?nèi)祟?lèi)。
作者：張虞 （中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷實(shí)驗(yàn)室）
