浙大赵骞/宋吉舟:利用水凝胶分离界面实现光固化快速打印

3D打印生物医疗
2021
12/20
10:55
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来源:EngineeringForLife

在投影式光固化(DLP)3D打印技术中,打印材料和投光区域的层间需要一个分离界面来避免两部分的过度粘合。但目前常用的分离方法通常需要复杂的设备或昂贵的消耗品,因此,需要一种简单、经济、通用的界面分离方法方法来实现光固化打印的大规模制造。近期,来自浙江大学的赵骞团队联合宋吉舟团队提出了以水凝胶作为分离界面的光固化打印方法,研究人员通过利用该界面在Z轴方向上产生的大幅度可恢复形变,使打印过程中的材料产生的粘附力降低,以实现快速打印。相关论文“Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface”发表在“Nature Communications”杂志上。

为了构建水凝胶分离界面,研究人员在投光区域原位光固化了以丙烯酰胺(AAm)为单体,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为交联剂的水凝胶层作为分离界面(图1),该界面具有优异的透明性,且与大多数常见的光敏树脂不混溶。

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图1 水凝胶分离界面的构建

随后,研究人员通过力传感器实时测量分离力,发现固化后的水凝胶模量越低,质地越软,分离力就越小;凝胶层越厚,打印过程中的应变和响应分离力也会越小。并通过对比水凝胶分离界面和商用的氟化乙烯丙烯(FEP)膜的分离力大小(图2),说明了水凝胶分离界面在快速打印下的高精度和稳定性。

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图2 分离力的评估以及可打印性

其次,研究人员对比了该方法与PDMS界面分离机理的区别(图3),发现与PDMS界面相比水凝胶实现分离的操作窗口要宽得多,这有利于实现DLP快速打印。

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图3 PDMS和水凝胶分离机理的对比

研究人员为深入了解水凝胶分离界面的基本力学性能,对其进行了力学建模和分析(图4),进一步证明了在相同界面相互作用特性下,较软和较厚的水凝胶可提供相对较小的分离力。

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图4 含有水凝胶界面的打印过程的力学建模和分析

最后,研究人员使用聚氨酯丙烯酸酯橡胶、形状记忆聚合物(SMP)等材料打印出了具有多样化功能的结构(图5),证明了水凝胶界面对打印树脂的兼容性。

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图5 与水凝胶界面兼容的多样性树脂打印样品

综上所述,本文将柔软且具有一定厚度的水凝胶作为打印过程中的分离界面,从而使该方法在打印速度、树脂兼容性和打印可靠性等方面表现出显著的优势,该方法可直接集成到商用的DLP打印机中,其有望在大规模商业化中得到实际应用。

参考文献
Wu, J., Guo, J., Linghu, C. et al. Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface. Nat Commun 12, 6070 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26386-6



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