南方科技大學葛锜副教授：離心式DLP多材料3D打印

3D打印是近年來的一大研究熱點。在該領域，研究人員近些年來從開發新技術、新材料、新應用等角度都作出了重大突破。但是，這些成果主要集中在實現單種材料的3D打印。與單材料3D打印不同，多材料3D打印能夠在三維空間任意布置兩種或者更多性質或功能截然不同的材料，這極大地豐富了3D打印的設計與制造能力。盡管如此，目前關于多材料3D打印的研究成果相對較少。多材料3D打印的實現方式也主要以噴墨或者墨水直寫為主。這些方法對于打印材料的多樣性，多材料結構的特征尺寸都有一定的限制。數字光處理（Digital Light Processing - DLP）是一種高速、高精3D打印技術。但是，使用DLP技術實現多材料3D打印主要面臨如何快速、有效地去除在材料切換過程所導致的大量粘附在結構上的殘余液體這一關鍵問題。盡管過去的研究提出了擦拭、流體噴射等殘余液體去除方法，但由于除液介質與打印結構會發生直接接觸，使得打印的多材料結構面臨尺寸小、適配材料有限、污染嚴重、功能集成度低等限制。

針對上述問題，南方科技大學葛锜副教授團隊提出了離心式DLP多材料3D打印方法，研發了Centrifugal Multimaterial (CM ) 3D打印系統，用于制造大幅面復雜三維異質結構，并從體素尺度實現對結構的成分、性能與功能的精準控制。如圖1所示，CM 3D打印系統可實現最大幅面180 mm × 130 mm的多材料打印，并可同時打印四種以上材料。CM 3D打印系統適用于打印包括水凝膠、軟/硬高分子材料、形狀記憶高分子、導電彈性體，甚至陶瓷在內的各種不同功能與性能的材料，打印材料的模量可跨越8個數量級（103 Pa to 1011Pa)。如圖2所示，受哺乳動物快速轉動身體實現脫水啟發，CM 3D打印系統在多材料切換過程中，通過快速轉動打印結構產生的離心力，實現殘余液體的快速無接觸去除。這種通過離心力去除殘液的方法受結構尺寸、形狀，以及樹脂粘度影響較小。例如，陶瓷漿料殘液在CM 3D打印系統中可以輕松去除。

圖1.由 CM 3D打印系統制造的各種復雜三維異質結構。

圖2.離心式殘余去除原理。

如圖3所示，CM 3D打印系統能夠實現黑白材料間無污染切換。黑白材料過渡界面尺寸100微米，優于其它多材料3D打印技術。這一優異特性使得我們可以設計與打印數字材料（Digital Materials）。通過精確調控軟硬體素微觀空間分布來，我們可以輕松調控數字材料的宏觀力學性能。

圖3.CM 3D打印系統實現數字材料一體化打印。

如圖4所示，CM 3D打印系統能夠將不同剛度、不同電導率的材料快速一體化集成。利用這一優勢，我們設計并一體化打印了集驅動、彎曲傳感、壓力傳感、溫度傳感于一體的軟體驅動器，實現了抓取不同物體的信號識別，以及不同溫度下抓取信號感知和信號糾正。

圖4.CM 3D打印系統實現多重感知集成軟體驅動器。

如圖5所示，CM 3D打印系統能夠一體化成型陶瓷生胚和高分子材料。利用這一優勢，我們可以打印具有懸垂甚至懸空部分的陶瓷結構。我們設計并打印了陶瓷軸承結構。在打印結構中，陶瓷滾子由高分子材料支撐。通過高溫燒結，高分子材料被去除，打印的陶瓷軸承可以自由轉動。

圖5.CM 3D打印系統一體化打印陶瓷-高分子集成結構。

上述成果近日在《自然·通訊》（Nature Communications）上以論文形式發表，論文標題為“多功能異質結構的離心3D打印”（Centrifugal Multimaterial 3D Printing of Multifunctional Heterogeneous Objects）。南方科技大學葛锜副教授為論文唯一通訊作者，南方科技大學機械與能源工程系2020級博士生程健翔為論文的第一作者。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和深圳市科技創新委員會的支持。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35622-6

來源：高分子科學前沿

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