密歇根大学Sci. Adv.：通过体积聚合抑制图案化实现快速、连续地增材制造

【引言】

增材制造（AM）方法通常称为三维（3D）打印，可以制造出一些比较复杂的物体，其内部特征是传统方法无法获得的，该技术通常通过连续添加薄层材料产生3D结构。操作简单和几乎无限的设计选择使得AM非常适合用于生产定制和原型零件，包括从定制医疗设备到汽车和航空航天部件的小批量生产。目前，诸如热塑性塑料、聚合物树脂和无机粉末等材料都已被用作AM介质。立体光刻AM是一种有趣的方法，通过使用可光聚合树脂和图案化照明源来固化所需几何形状的横截面层。立体光刻AM的速度取决于构建平台的平移方向，主要受到固化聚合物粘附到投影窗口或树脂表面干扰的限制，因而需要在连续层之间进行耗时的分离或重涂步骤。因此，这些系统中的打印速度范围从每小时几毫米到几厘米不等。最近发展的一种连续液体界面生产技术通过使用透氧性投射窗口解决了这一缺陷，从而实现了每小时几百毫米的平移速度连续生产零件。然而，AM系统还不能实现无需移动构建平台的任意3D对象生产。

【成果简介】

近日，美国密歇根大学的Martin P. de Beer教授（通讯作者）和Harry L. van der Laan教授（通讯作者）合作开发了一种AM系统，其能够使用单次曝光打印3D结构，还可以以相对较高的线速度连续打印。该工艺使用了一个成形头，并向上拉出可光聚合树脂和两个不同波长的照明源。通过从下方透明玻璃窗的图案化照明引发树脂聚合，而第二波长的照射抑制紧邻玻璃窗的聚合反应，从而达到消除粘附和连续操作的目的。该工艺的打印速度约为2米/小时，而且能够与多种树脂相容。此外，通过调节每个像素上的光源强度，还可以在没有阶段平移的条件下实现表面形貌的图案化。该成果以题为"Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patterning"发表在国际著名期刊Sci. Adv.上。

【图文导读】

图1 同步双色光引发和光抑制

(a) 通过同步光聚合和光抑制实现双色SLA的光学装置；

(b) 光引发剂CQ；

(c) 共同引发剂EDAB；

(d) 光抑制o-Cl-HABI；

(e) CQ（实心蓝线）和o-Cl-HABI（紫色虚线）在四氢呋喃中的紫外-可见光谱；

(f) 使用双色光聚合/光抑制立体光刻系统分别以500和375毫米/小时打印出固体块M（左）和拖船（右）；

(g) 聚合抑制体积厚度与入射辐射波长和树脂吸光度的变化强度比的关系。

图2 通过双色光引发和光抑制实现快速、连续的添加剂制造

(a) 使用光抑制实现Argyle模型的连续打印；

(b) 对于四种丙烯酸酯基树脂配方，固化厚度与蓝光剂量的关系；

(c) 最大垂直打印速度与不同蓝色吸光度高度的关系。

图3 波长选择性光引发和自由基介导的链增长光聚合的光抑制

(a) 双酚A乙氧基化二丙烯酸酯(BPAEDA)；

(b) 三乙二醇二甲基丙烯酸酯(TEGDMA)；

(c) 双酚A甘油二甲基丙烯酸酯(bisGMA)；

(d) 三甘醇二乙烯基醚(TEGDVE)；

(e) N-（正丙基）马来酰亚胺(NPM)；

(f) 对于BPAEDA树脂配方，烯烃转化率与时间的关系；

(g) 对于bisGMA/TEGDMA树脂配方，烯烃转化率与时间的关系；

(h) 对于TEGDVE/NPM树脂配方，烯烃转化率与时间的关系。

图4 双色光引发和光抑制实现了复杂3D结构的可控远表面图案化

(a) 用于强度图案打印的装置；

(b) 使用可变强度图像可以按像素方式调整I_UV，0/I_blue，0，从而产生抑制高度的变化进而产生印刷部分形貌；

(c) 密歇根大学密封的四级强度图像；

(d) 通过单次强度图案曝光产生的可变厚度部件。

【小结】

本文中，作者展示了一种快速连续立体光刻增材制造的新方法，其通过使用含有互补光引发剂和抑制剂物质的（甲基）丙烯酸酯树脂配方的双色照射来实现。在该方法中，通过在一个波长处的照射产生的光致图案化的聚合抑制体积在空间上限制由同时照射的第二波长引发光聚合的区域。此外，使用该方法产生的抑制体积使得能够局部控制聚合区域厚度，从而影响单次曝光和形貌图案化。与传统的分层增材制造方法只能提供缓慢的物体制造速度不同，连续立体打印大大提高了打印速度并产生具有光滑表面的物体。

文献链接：Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition patterning(Sci. Adv. 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aau8723)

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