3D列印再獲突破！我國科學家用一滴樹脂列印一顆牙

2020-10-13 3D列印世界

在最先進的3D列印中，一滴樹脂滴在被稱為「固化界面」的透明板上，準備好接受已輸入好設計參數的紫外光。隨著紫外光的投影，樹脂一層一層變成固態，一顆牙齒逐漸在成型平臺下顯現，光滑、潔白。

一滴成型的3D牙齒（課題組提供視頻截圖）

中國科學院化學研究所研究員宋延林和副研究員吳磊共同完成了這一令人驚嘆的3D列印，他們提出單墨滴3D列印策略，通過引入可退浸潤的「三相接觸線」，顯著提高了3D列印的精度和穩定性，實現一滴成型。日前，這項研究在《自然-通訊》（Nature Communications）上發表。論文第一作者為博士生張虞。

神奇的「三相接觸線」

作為3D列印領域的前沿技術，單墨滴3D列印的實現仍需突破許多科學問題。「在對樹脂這一類光固化材料進行3D列印時，我們發現其表面往往不光滑。」宋延林告訴《中國科學報》，液體樹脂不僅會在固化結構的表面殘留，還會產生凸起或者臺階結構。

他帶領研究人員從光固化界面的科學問題入手，嘗試破解這一難題。「三相接觸線（TCL）」是一個核心概念，指的是滴上液滴的固化界面、液體樹脂及空氣的固-液-氣三相的接觸線，與浸潤、黏附和潤滑等現象緊密相關。而實現單墨滴3D列印的關鍵是三相接觸線的可控回縮。

2018年，受豬籠草表面被束縛的液體可以降低對物質的粘附的啟發，他們利用超潤滑界面來減少固態樹脂與固化界面之間的粘附，使液滴接觸這類表面時很容易滑移。

在最新的這項研究中，他們進一步對氟化石英、超雙疏和超潤滑等三種固化界面與液體樹脂、固態樹脂之間的粘附規律進行總結。最後發現，只有液體樹脂與固態樹脂的粘附力大於固化界面與液體樹脂的粘附力，同時後者還要大於固化界面與固態樹脂粘附力時，才能實現單墨滴3D列印。

光固化界面對單墨滴3D列印的影響（課題組供圖）

精準列印不浪費墨滴

基於光固化的連續3D列印技術已成為構造3D結構最有前途的方法之一，但是其精度和材料利用率在連續快速列印過程中受到限制。並且在高速列印時，樹脂紫外固化過程的放熱會讓列印過程變得不穩定，導致樹脂殘留，降低3D列印的解析度。

最新發表的論文中，單墨滴3D列印技術能夠克服這一問題，實現精準的按需列印。實驗中，研究人員使用三個單獨的樹脂液滴成功實現了臼齒、門齒以及犬齒的列印，證實新方法具有結構可控性。

吳磊介紹：「我們看到，單墨滴可完全轉化為所設計的牙齒結構，並且具有邊緣完整性。」

精準列印帶來的另一個好處則是材料利用率的提高。實驗中，在列印24毫米長的圓柱形網格結構時，液態樹脂利用率達99.6%，僅有0.4%的液態樹脂殘留。這遠高於傳統光固化連續3D列印技術50%左右的利用率。

在業內專家看來，這項研究實現了最高材料利用率的高精度3D列印。

單墨滴3D列印牙齒結構（課題組供圖）

應用前景可期

多年來，宋延林課題組一直在應用需求牽引下開展基礎研究。「我們圍繞應用中常見的幾類3D列印材料進行了基礎研究，包括導電的金屬材料、光固化的高分子材料以及無機納米材料等。」宋延林表示，「在噴墨列印墨滴控制和功能界面操控液體行為領域取得了系列進展。」

近兩年，他們通過圖案化浸潤性表面實現了對液滴撞擊過程的精準調控，為液體表面能的利用和液滴碰撞行為的精確調控提供了全新的思路；提出微結構浸潤性和幾何結構的設計原則，實現流體間界面的可編程圖案化，對發展微型器件的製備新方法上具有重要意義；創造了利用模板控制液體限域控制顆粒組裝圖案化的新方法，成為納米印刷技術在先進位造領域的突破。

最新發表論文中的單墨滴3D列印技術則有望為可控、按需製備3D結構開闢了新途徑。「除了牙齒之外，這項技術還可以用在隱型眼鏡等精細產品的製造上。」宋延林指出。

論文信息：Doi：10.1038/s41467-020-18518-1

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