德克薩斯大學科技大學開發低成本LED替代DLP 3D列印

來自德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員已經開發出了更具成本效益的LED替代品，可以替代紫外線（UV）聚合3D列印技術。通過用彩色LED代替傳統可見光系統中的紫外線，Texan團隊能夠以相同的速度和細節水平生產零件，但以更節能的方式生產。

作為研究的一部分，科學家還對四種不同的光氧化還原催化劑進行了微調，一旦將它們暴露於特定顏色的LED燈下，它們就會加速樹脂的固化。

利用他們的新穎工藝，研究人員設法以每層八秒鐘的速度列印特徵小於100μm的零件。結果，該研究的主要作者扎卡裡亞·佩奇（Zachariah Page）聲稱，該團隊的新穎方法可以與更成熟的公司所採用的方法相媲美。「有些傳統的基於紫外線的印表機速度更快或更高解析度，但我們擁有的組合接近最新技術。」

科學家設法以與現有DLP製造方法相同的速度和解析度3D列印一系列產品。照片由ACS Central Science提供。

現有UV印刷工藝的局限性

在通常被稱為「光固化」的過程中，諸如立體光刻（SLA）和數字光處理（DLP）之類的3D列印技術使用紫外線將物質從液態樹脂轉變為固態物體。基於此技術的DLP機器為用戶提供了許多好處，例如製造速度為100mm / h，並且能夠製造特徵解析度小於100μm的物體。

儘管大多數DLP 3D印表機都基於這些功能強大的UV光系統，這些系統提供較短的構建時間，但與其他光固化方法相比，它們更昂貴，能耗更低。例如，與傳統的DLP相比，可見光印刷（VLP）具有許多潛在的優勢。VLP中使用的強度較低的光線與生物材料（例如活細胞水凝膠）以及不透明的複合材料更兼容，從而更有助於創建多種材料的結構。儘管有這些明顯的好處，但VLP中使用的光束背後的功率降低，使得該方法比其他光固化技術更慢，因此限制了其採用。

初始測試涉及在玻璃顯微鏡載玻片之間照射100μm厚的氬氣脫氣樹脂（如圖所示）。圖片來自ACS Central Science。

德州人的高速可見光光固化工藝

為了加速VLP工藝，研究人員開發了一系列摻入單體，交聯劑和幾種共引發劑的全色樹脂。樹脂是按客戶要求設計的，以提高光固化速度，提供更強的吸收能力，更長的波長，因此比普通材料具有更快的印刷速度。

為了驗證他們的方法，該團隊使用了其紫外線成分的標準DLP系統，並為其安裝了藍色（〜460 nm），綠色（〜525 nm）和紅色（〜615 nm）LED發光器。研究人員利用他們的自製印表機，通過使用低強度LED燈在玻璃顯微鏡載玻片之間照射100μm厚的氬氣脫氣樹脂進行了一系列測試。

隨後對樣品進行的RT-FTIR光譜分析表明，所有三種顏色均已成功固化。為了檢查其機器可能的保真度，團隊隨後製作了解析度列印，其橫向尺寸為20×20μm2，層厚度為25μm。優化樣本包含12個正方形，這些正方形同時以不同的曝光時間進行列印，並且每一層均具有1-16像素寬的較小圖案陣列。

利用從不同解析度的印刷品獲得的廣泛數據，研究團隊能夠針對每種樹脂優化其定製VLP工藝。例如，對綠色和紅色敏感的樣品在列印過程中需要覆蓋惰性氣體，以達到與DLP相比可比的速度。另一方面，紫羅蘭色和藍色感光樹脂不受大氣條件的影響。

儘管研究人員的系統達到了與傳統DLP機器相同的速度和解析度，但仍難以用不同的色敏樹脂來創建一致的對象。圖片來自ACS Central Science。

在藍色和紅色光敏樹脂中還觀察到更多不一致之處，它們未能以一致的速度達到所需的最大厚度，這限制了工藝的可重複性。另一方面，發現添加Opaquing Agents（OA）可以提高方法的一致性。OA的集成使團隊能夠達到33至45 mm / h的構建速度，並創建尺寸小於100μm的零件，包括複雜的八角形桁架形狀。結果，研究人員得出結論，儘管他們的方法已成功地與商用機器的速度和解析度相匹配，但仍需要進一步優化。

該小組假設，增加光強度可以導致更快的印刷時間，並且可以將耗氧分子整合到未來的樹脂中以減輕其對大氣條件的敏感性。如果科學家確實設法完善了他們的新型VLP方法，則可以在一系列新的組織工程或軟機器人應用中使用它。實際上，如果團隊要始終與現有DLP機器的速度和解析度相匹配，則仍有一些參數需要調整。

由於DLP 3D列印已經高度商業化，並且許多公司提供自己的技術變異，因此德克薩斯州科學家的研究的潛在影響可能是深遠的。例如，奧地利3D印表機製造商Genera最近推出了他們的第一臺DLP機器G2。該系統採用可調式4K DLP技術，這意味著用戶可以在40、70或100微米的預設值之間更改系統的像素設置。