《Nature》子刊:無材料浪費,實現單墨滴成型的連續3D列印

3D列印可直接將計算機輔助設計轉變為複雜的立體結構，無需傳統製備方法中所需的模具或光刻掩膜，已在快速成型製造和靈活生產中展現出巨大的前景。相比於基於擠出的3D列印方法，如熔融沉積（FDM）及直寫成型（DIW），基於光固化的3D列印技術材料利用率較低；並且在連續列印過程中，液體樹脂不可避免地會附著在固化結構表面，造成列印結構的尺寸誤差；同時，由於光散射的存在，導致非圖案區中的樹脂發生額外的固化。以上因素不僅會造成材料的大量浪費，還降低了連續列印過程中的穩定性及解析度。

近日， 中國科學院化學研究所宋延林團隊提出了一種單墨滴3D列印策略，利用界面操作方法可製備出具有可控形貌的精細3D結構，實現了一滴成型，提高了列印過程的穩定性。基於低粘附界面上三相接觸線（TCL）的退浸潤行為，他們在3D列印體系中引入具有低液體樹脂粘附及低固化樹脂粘附的光固化界面，極大地降低了液體樹脂在固化結構表面的殘留，同時增加了固液界面的自由度及液滴內部的流動，抑制了XY平面非光源圖案區的過度固化，進而顯著提高了連續高速列印過程中的穩定性及精度。

單墨滴3D列印過程的機理及光學圖像

光固化界面的界面性質對於單墨滴列印至關重要，這有利於單墨滴TCL的連續收縮，實現高材料利用率的3D列印。為了研究具有不同界面性質的基底對單墨滴列印過程的影響，他們選擇了三種不同結構的低粘附基底：光滑的氟化石英基底、具有微納複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，單墨滴TCL可發生回縮，但由於基底粘附，單墨滴3D列印無法實現；在具有微納複合結構的超雙疏基底及潤滑基底上，可以發生連續固化實現列印。但由於超雙疏界面的低粘附性是基於其表面的微納結構所捕獲的空氣層，該複合液-氣-固界面使墨滴的TCL變形，導致列印結構具有豎直條紋；在潤滑表面可以實現連續、穩定的固化，且列印結構具有光滑側壁。他們發現，液體樹脂與固化樹脂間的粘附（γ 1 ）、固化樹脂與固化界面的粘附（γ 2 ）及液體樹脂與固化界面之間的粘附（γ 3 ）只有同時滿足γ 1 >γ 3 、γ 3 >γ 2 這兩個條件，才能實現單墨滴3D連續列印，這為單墨滴3D列印的普適性奠定了基礎。在此基礎上，他們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列印的淨利用率，實現按需、一滴成型的個性化製備。

光固化界面性質對單墨滴3D列印的影響及墨滴尺寸和UV圖案參數對單墨滴3D列印材料利用率的影響

單墨滴3D列印成型的牙齒結構

這一成果近期發表在Nature Communications上，文章第一作者為中國科學院化學研究所博士生張虞，通訊作者為中國科學院化學研究所宋延林研究員和吳磊副研究員。該項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、北京分子科學國家研究中心的支持。