用光控制多材料3D打印

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校開(kāi)發(fā)的一種新型光學(xué)技術(shù)允許一次打印多種材料。使用多種材料的3D打印仍然是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，但現(xiàn)在新的研究通過(guò)使用不同波長(zhǎng)的光更容易。由威斯康星大學(xué)(UW)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)的一種新技術(shù)和3D打印機(jī) - 麥迪遜使用可見(jiàn)光和紫外光的圖案來(lái)指導(dǎo)兩種單體中的哪一種聚合形成固體材料。

UW-Madison化學(xué)教授AJ Boydston說(shuō)，這些不同的模式提供了創(chuàng)建由多種材料制成的零件所必需的空間控制，他與他的研究生Johanna Schwartz一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。Atlantic Design&Manufacturing是東海岸領(lǐng)先的設(shè)計(jì)工程師貿(mào)易展，提供最新的3D打印，自動(dòng)化和CAD / CAM軟件，包括FedEx，GE Appliances，Procter&Gamble以及其他數(shù)百種軟件。

“就像3D打印一樣令人驚訝，在許多情況下它只提供一種顏色來(lái)繪畫，”他說(shuō)。“這個(gè)領(lǐng)域需要一個(gè)完整的調(diào)色板。”Boydston說(shuō)，新工藝的應(yīng)用可能包括創(chuàng)建個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備，如假肢，或開(kāi)發(fā)可用于培訓(xùn)醫(yī)學(xué)生的模擬器官和組織。目前除了一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)外，大多數(shù)3D打印機(jī)一次只能生產(chǎn)由一種材料制成的零件。但是研究人員希望通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)做更多的事情，即打印更復(fù)雜的物體，這也是他們探索如何同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印的原因。

研究人員表示，Boydston和Schwartz的方法采用單缸，多組分方法 - 類似于化學(xué)家在合成分子時(shí)的一鍋法。他們的技術(shù)基于不同波長(zhǎng)的光的能力來(lái)控制哪種起始材料聚合成固體產(chǎn)品的不同部分。

該過(guò)程中使用的材料最初是作為化學(xué)物質(zhì)，稱為單體，最終聚合成更長(zhǎng)的一系列化學(xué)物質(zhì)，這就是塑料的制造方式。

自下而上的方法

“這是我們?nèi)绾慰紤]在一個(gè)物體中使用多種材料進(jìn)行3D打印的方式，”Boydston解釋說(shuō)。“從分子到網(wǎng)絡(luò)，這更像是一種自下而上的化學(xué)家的方法。”

為了開(kāi)發(fā)他們的技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了多個(gè)數(shù)字圖像，這些圖像在堆疊時(shí)可以生成3D設(shè)計(jì)。他們說(shuō)，這些圖像控制是否使用紫外線或可見(jiàn)光來(lái)聚合起始材料。這就是他們?nèi)绾慰刂谱罱K材料及其性能，例如剛度。

在此過(guò)程中，研究人員同時(shí)將來(lái)自兩臺(tái)投影儀的光線導(dǎo)向一大桶液體起始材料，其中奇異層構(gòu)建在平臺(tái)上。研究人員表示，在形成一層之后，物體從下向上逐層構(gòu)建，光線構(gòu)建下一層，然后等等。該團(tuán)隊(duì)在Nature Communications雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們工作的論文。

Boydston和Schwartz說(shuō)，他們面臨的最大挑戰(zhàn)是優(yōu)化原料的化學(xué)性質(zhì)，因?yàn)樗麄儽仨毧紤]兩種單體在一個(gè)桶中的表現(xiàn)。

Boydston說(shuō)，他們還必須確保兩種材料的固化時(shí)間相似，以便每層中的硬質(zhì)和軟質(zhì)材料在大約相同的時(shí)間內(nèi)完成干燥。他們說(shuō)，一旦他們實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，他們現(xiàn)在可以通過(guò)使用紫外線或可見(jiàn)光確切地決定每個(gè)單體在印刷物體內(nèi)固化的位置。

“在這個(gè)階段，我們只完成了將硬質(zhì)材料放在軟質(zhì)材料旁邊的一步，”Boydston說(shuō)。“有許多不完善之處，但這些都是令人興奮的新挑戰(zhàn)。”

他補(bǔ)充說(shuō)，接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是解決這些不完善之處，并探索在這個(gè)過(guò)程中可以使用的其他材料組合和不同的光波長(zhǎng)。研究人員還希望建立一個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，可以增加波長(zhǎng)控制，多材料3D打印對(duì)未來(lái)應(yīng)用的影響。

Elizabeth Montalbano是一位自由撰稿人，撰寫了20多年的技術(shù)和文化。她曾在鳳凰城，舊金山和紐約市作為專業(yè)記者生活和工作。在空閑時(shí)間，她喜歡沖浪，旅游，音樂(lè)，瑜伽和烹飪。她目前居住在葡萄牙西南海岸的一個(gè)村莊。