北工大宋晓艳团队JMCC综述:数字光处理技术的光学3D打印的研究进展及应用

3D打印快讯
2020
09/16
10:45
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来源:清新电源

论文第一作者:赵治教授

通讯作者:赵治教授,宋晓艳教授

近年来,利用数字光处理技术(Digital Light Processing)的光学3D打印方法受到了广泛的关注,被认为具有巨大的商业应用潜力。与传统的挤压堆叠成型技术不同,光学3D打印基于液态前体中的光化学合成反应,具有打印速度快、精度高、打印条件温和等优势。本文详述了数字光处理打印领域近期的研究前沿热点与代表性成果,分析了相关技术背后的工作原理,列举了一些潜在的应用方向,并展望了该领域的发展趋势。

内容要点

1. 本文系统介绍了数字光处理打印设备的工作原理,详述了打印过程与光化学合成反应的联系,提出按照设备各部分在光化学反应中扮演的角色划分功能区域。在此基础上,针对不同功能区域近年涌现的代表性成果做了分类,更加清晰地展现了该领域研究发展的思路与脉络。

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2. 光学打印设备的光源作为化学反应所需能量的来源,在开/关化学反应、控制反应区域、选择反应类型等方面有着重要的作用。近期很多研究改进了传统平面光源的表现,使得光照面积、强度、角度控制更加灵活,降低了光散射。在此基础上,多光束光源的应用使得光学打印技术有了革命性的发展。例如,计算轴向印刷术(CAL)和全息成像打印技术可以在空间中形成强度分布可调控的三维广场,从而通过一次光线照射直接形成所需三维器件,真正实现了“3D”打印。通过运用多颜色光束叠加,可以根据反应物的化学性质选择性地引发指定的光反应,进而实现多材料打印与终止特定区域材料成型。
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3. 打印平台包含了前体容器和可活动的机械部件,是反应环境的控制者。最新的打印平台可以在程序控制下自动切换前体种类,从而实现复合材料打印。通过在容器底部运用不易被易附着的材料,可以避免打印的器件粘在容器壁上,使得连续打印成为可能。最近,很多研究者在打印平台上增加了电极、磁感线圈等装置,控制容器内部的电场、磁场分布,实现了各项异性材料的打印。
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4. 打印前体的配方是光学打印的核心,决定了可打印材料的种类。这方面的研究最近取得了很大的进展。通过化学修饰丙烯酰基化合物、环氧基化合物和硫醇-烯烃体系等传统可光聚材料,诞生了一大批新型配方。同时,基于光氧化还原反应的金属材料成功打印也使得DLP技术的应用范围得到了极大增强。

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5. 光学打印具有广泛的应用前景,可以用于制备仿生器件、电化学传感器、柔性器件与高强度结构材料等。通过使用环境响应性材料,还可以制备多种智能材料。

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总结与展望

以DLP技术为核心的光学打印将材料制备推向了一个新的高度。这种打印模式可以同时控制材料形貌与物相组成,从而生产许多传统技术难以加工制备的产品与器件。可以预见地,在今后的发展中,这种先进的光学打印技术必将不断进化,推动材料科学领域与制造业更多革命性的进步。我们预期,未来DLP打印技术的突破很可能发生在如下两个方向。

首先,光学分辨率的极限可以达到百纳米量级,而现有的光学打印分辨率大都停留在10微米量级。通过改进光学元件、运用短波光源、减慢反应物扩散、利用抑制剂降低副反应速率等方式,光学打印的分辨率很可能在未来接近或达到百纳米量级,使得加工更加精密的器件成为可能。

此外,无机材料的打印一直是光学打印的短板。利用氧化还原反应打印金属材料为开发无机前体配方提供了一种新的思路。在未来,通过耦联数个光化学反应,越来越多的无机材料将可能被直接打印。现阶段已有多种金属材料的前体配方被成功开发,故此我们相信合金类材料的光学打印应该会很快变为现实。


文献信息

Zhi Zhao*, Xiaoxiao Tian, Xiaoyan Song* Journal of Materials Chemistry C

文献链接:https://doi.org/10.1039/D0TC03548C

之前,南极熊在石墨烯3D打印线上研讨会中,邀请了赵治教授,观看赵治教授的学术报告,请扫描下方二维码观看视频回放。

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