神奇的3D打印：如何快速將一滴墨水變成一顆牙齒
時間：2020-10-28 11:34 來源：科普中國-科普融合創作與傳播看過科幻電影《終結者2》的朋友對里面的液態金屬機器人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金屬構成，可以在液態和固態中自如轉換，被破壞后能夠自我還原，受傷或中彈后傷口還能夠自動閉合，令人嘆為觀止!
（圖片來源：電影《終結者2》）
藝術來源于生活，科幻就是人們對未來科技發展的一種幻想。看到如此神奇的機器人，很多科研工作者也坐不住了，有的想到研究液態金屬，有的考慮將這種獨特的“能力”運用于3D打印。你沒看錯，就是3D打印，那么如何進行應用呢？下面就為大家揭曉謎題。
單墨滴3D打印，又省材料又可靠
3D打印是一種以數字模型文件為基礎，利用聚合物樹脂、金屬、陶瓷、納米復合物等可打印材料，基于逐層打印的方式來構造三維立體結構的技術。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、汽車、航空航天等多種領域應用廣泛。
在眾多3D打印技術中，基于光固化的連續3D打印技術已成為構造3D結構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3D打印過程中，液體樹脂會不可避免地附著在固化結構的表面，其附著量會隨著打印速度和粘度的增加而增加；同時，由于光散射的存在，導致非圖案區中的樹脂發生額外的固化，從而降低了打印的穩定性和精度。
為提高材料利用率及打印過程的穩定性，中科院化學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3D結構。他們通過在3D打印體系中引入可退浸潤的三相接觸線（TCL），可顯著減少液體樹脂在固化結構表面的殘留；同時還降低了界面粘附，并且增加了液體內部樹脂的流動，可防止高速打印過程中樹脂由于持續處于高強度輻照狀態下導致的打印結構凸起或臺階結構，從而顯著提高3D打印的精度和穩定性，實現一滴成型。這種利用單個墨滴高效構建精細3D結構的策略對于節約墨水材料、按需個性化制備具有重要的意義。研究成果近日發表于《Nature Communications》上（Nat. Commun., 2020, 11, 4685）。
利用該技術打印一顆牙齒（圖片來源：作者提供）
“一滴成型”是如何實現的？
利用單個墨滴就能精確打印出你想要的東西，聽上去是不是很神奇。那么這一過程是如何實現的呢？研究人員發現，實現單墨滴3D打印的關鍵是三相接觸線的可控回縮，這主要涉及3D打印體系中三個界面間粘附力值的相對大小：即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。為研究具有不同界面性質的基底對單墨滴打印過程的影響，研究人員選擇了三種不同結構的低粘附基底：光滑的氟化石英基底、具有微納復合結構的超雙疏基底及潤滑基底來進行研究。
在光滑的氟化石英基底上，盡管三相線可以發生回縮，但由于固化樹脂與固化界面之間的粘附力大，單墨滴3D打印不能實現；在具有微納復合結構的超雙疏結構基底上，可以實現連續打印。但由于超雙疏的產生源于微納復合結構與液體樹脂之間形成的空氣層，因此連續打印過程不穩定且打印結構有豎直條紋；在潤滑基底上，單墨滴可完全轉化為所設計的3D結構，且打印結構具有光滑側壁。
研究人員對此現象進行了系統性的研究，得出實現單墨滴3D連續打印需滿足的兩個條件，即液體樹脂與固化樹脂間的粘附（γ1）應大于液體樹脂與固化界面之間的粘附（γ3），同時液體樹脂與固化界面之間的粘附（γ3）應大于固化樹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。
光固化界面性質對單墨滴3D打印的影響（圖片來源：作者提供）
研究人員進一步研究了單墨滴3D打印的材料凈利用率，即洗凈的3D結構的質量與液滴質量的比值。發現隨液滴質量的增加，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；隨著樹脂的三維分布增大或長寬比的增大，單墨滴材料利用率降低，因此可通過以上因素調控單墨滴打印的凈利用率，實現一滴成型。
墨滴尺寸和UV圖案參數對單墨滴3D打印材料利用率的影響（圖片來源：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牙齒結構，從圖中可以看出打印結構表面光滑，且與設計結構具有相同的形貌，可完全與牙齒模型嵌合，也就是說打印結構具有良好的結構可控性和邊緣完整性，并具有極高的材料利用率。
單墨滴3D打印牙齒結構（圖片來源：作者提供）
雖然聽起來復雜又高深，但3D打印是能切實應用于生活中的、為我們帶來便利的一項技術。希望科學家們未來能發明出更多更節能的打印方式，讓3D打印更好地造福于我們人類。
作者：張虞 （中國科學院化學研究所綠色印刷實驗室）
