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近年來(lái)，小到3D打印手辦、大到3D打印建筑，3D打印為人們的生活帶來(lái)了更多可能性。作為一種逐層的增材制造技術(shù)，3D打印使得個(gè)性化訂制或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品擺脫了昂貴、耗時(shí)的模具制造。

自下而上的數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)具有分辨率高、樹(shù)脂消耗少、材料適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。然而，逐層疊加的制造方式導(dǎo)致的低生產(chǎn)率成為其大規(guī)模制造應(yīng)用中的一個(gè)主要障礙。在這類技術(shù)中，樹(shù)脂和固化窗之間需要一個(gè)分離界面來(lái)避免兩者之間的粘合。常規(guī)的含氟高分子分離膜FEP與打印物體分離時(shí)的離型力較大，導(dǎo)致打印過(guò)程不穩(wěn)定，打印速度低。而現(xiàn)有的以CLIP技術(shù)為代表的快速3D打印技術(shù)普遍需要復(fù)雜的設(shè)備或者昂貴的消耗品。因此，亟需一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、通用的方式來(lái)提高3D打印的速度。

近期，浙江大學(xué)寧波研究院化工分院智能制造團(tuán)隊(duì)謝濤教授、吳晶軍助理研究員聯(lián)合浙江大學(xué)化工學(xué)院趙騫教授、浙江大學(xué)航空航天學(xué)院宋吉舟教授開(kāi)創(chuàng)性地提出了以軟物質(zhì)水凝膠作為分離界面，利用該界面在厚度方向上能產(chǎn)生較大的可恢復(fù)形變，降低離型力，從而實(shí)現(xiàn)快速打印（400 mm/h）。該研究以題為“Rapid digital light 3D printing enabled by a soft and deformable hydrogel separation interface”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature Communications》上。

水凝膠分離界面的構(gòu)筑

  DLP打印過(guò)程通常分為三個(gè)步驟：液體樹(shù)脂的光固化、構(gòu)建平臺(tái)的移動(dòng)和液體樹(shù)脂的再填充。其中，運(yùn)動(dòng)和調(diào)平動(dòng)作最為耗時(shí)，這主要是由于新固化的樹(shù)脂層和樹(shù)脂罐的固化窗之間存在附著力，為防止粘聚失效只能緩慢分離。如圖1所示，在本項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)在玻璃固化窗口原位合成了聚丙烯酰胺水凝膠（PAAm）作為分離界面，該界面不僅具有高的透過(guò)率，而且不能與大多數(shù)常見(jiàn)的光敏樹(shù)脂混溶。此外，通過(guò)改變交聯(lián)劑的含量，可以實(shí)現(xiàn)凝膠層模量的調(diào)控。

圖1. a) 以水凝膠層作為玻璃窗與液體樹(shù)脂之間的分離界面的DLP打印設(shè)備的示意圖；b) 軟變形界面上的剝離過(guò)程示意圖；c) 水凝膠單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；d）由玻璃罐和水凝膠層組成的固化窗的透明度；e）不同成分水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；f）不同水凝膠的拉伸模量。

離型力的評(píng)估及其分離機(jī)理

  團(tuán)隊(duì)通過(guò)將力傳感器安裝到打印機(jī)的平臺(tái)上來(lái)測(cè)量實(shí)時(shí)的離型力，研究發(fā)現(xiàn)：凝膠模量越低，材料越軟，離型力越?。荒z厚度越大，沿厚度方向發(fā)生表觀位移時(shí)，實(shí)際的應(yīng)變和相應(yīng)的離型力也會(huì)越小。換句話說(shuō)，水凝膠模量的減小或厚度的增加，都會(huì)使應(yīng)力更加集中在打印樣品的邊緣，所需驅(qū)散裂紋傳播的負(fù)載也越小，離型力越小。而越低的離型力越有利于實(shí)現(xiàn)更高的打印速度。在此，團(tuán)隊(duì)將商用的氟化乙烯丙烯（FEP）膜與水凝膠分離界面在分離力方面進(jìn)行了對(duì)比（圖2），且將該體系的分離機(jī)理與常用的PDMS界面進(jìn)行了對(duì)比（圖3），并進(jìn)行了力學(xué)建模和分析（圖4）。

圖2. 分離力的評(píng)估及可打印性

圖3. 利用PDMS和水凝膠界面層進(jìn)行分離機(jī)理的比較

圖4. 含水凝膠界面的打印過(guò)程的力學(xué)建模和分析

兼容多種樹(shù)脂

該水凝膠界面對(duì)于各種可光固化的液體樹(shù)脂具有普適性（如圖5）：除了剛性的丙烯酸酯樹(shù)脂外，團(tuán)隊(duì)通過(guò)打印聚氨酯丙烯酸酯橡膠、形狀記憶聚合物（SMP）等，得到了具有多樣化功能的物體。

團(tuán)隊(duì)將軟、厚的水凝膠作為分離界面，直接集成到商用的DLP打印機(jī)中，在打印速度、樹(shù)脂兼容性和打印可靠性等方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)，有望實(shí)際應(yīng)用于大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。

圖5. 與水凝膠界面兼容的多種代表性樹(shù)脂

  浙江大學(xué)寧波研究院化工分院智能制造團(tuán)隊(duì)吳晶軍助理研究員長(zhǎng)期從事光固化3D打印工藝和材料研究。針對(duì)光固化3D打印技術(shù)在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的若干關(guān)鍵問(wèn)題，相繼在熱塑性高分子光固化3D打印原理及其超高速成型工藝（Adv. Mater. 2019, 31, 1903970）、變形材料超快速4D打印（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 32408）、可編程光固化3D打印材料（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 15584）、高性能光固化3D打印彈性體（產(chǎn)品開(kāi)發(fā)落地）等方面取得創(chuàng)新。成果有望解決現(xiàn)有光固化3D打印效率低、成品功能性差等局限，推動(dòng)光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用。