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神奇的3D打印：如何快速將一滴墨水變成一顆牙齒

機(jī)器人固化小知識金屬科普電影研究粘附數(shù)值增加打印過程


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看過科幻電影《終結(jié)者2》的朋友對里面的液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000一定印象深刻 ， 在電影中 ， T-1000的身體是由可還原記憶的液態(tài)金屬構(gòu)成 ， 可以在液態(tài)和固態(tài)中自如轉(zhuǎn)換 ， 被破壞后能夠自我還原 ， 受傷或中彈后傷口還能夠自動閉合 ， 令人嘆為觀止!
（圖片來源：電影《終結(jié)者2》）
藝術(shù)來源于生活 ， 科幻就是人們對未來科技發(fā)展的一種幻想 。 看到如此神奇的機(jī)器人 ， 很多科研工作者也坐不住了 ， 有的想到研究液態(tài)金屬 ， 有的考慮將這種獨(dú)特的“能力”運(yùn)用于3D打印 。 你沒看錯(cuò) ， 就是3D打印 ， 那么如何進(jìn)行應(yīng)用呢？下面就為大家揭曉謎題 。
單墨滴3D打印 ， 又省材料又可靠
【神奇的3D打?。喝绾慰焖賹⒁坏文兂梢活w牙齒】3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ) ， 利用聚合物樹脂、金屬、陶瓷、納米復(fù)合物等可打印材料 ， 基于逐層打印的方式來構(gòu)造三維立體結(jié)構(gòu)的技術(shù) 。 該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航空航天等多種領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 。
在眾多3D打印技術(shù)中 ， 基于光固化的連續(xù)3D打印技術(shù)已成為構(gòu)造3D結(jié)構(gòu)最有前途的方法之一 。 然而 ， 相比于基于擠出成型的3D打印方法 ， 其材料利用率較低 ， 而且在連續(xù)3D打印過程中 ， 液體樹脂會不可避免地附著在固化結(jié)構(gòu)的表面 ， 其附著量會隨著打印速度和粘度的增加而增加；同時(shí) ， 由于光散射的存在 ， 導(dǎo)致非圖案區(qū)中的樹脂發(fā)生額外的固化 ， 從而降低了打印的穩(wěn)定性和精度 。
為提高材料利用率及打印過程的穩(wěn)定性 ， 中科院化學(xué)所宋延林研究員課題組提出了一種單墨滴3D打印策略 ， 利用界面操作方法就能制備出具有可控形貌的精細(xì)3D結(jié)構(gòu) 。 他們通過在3D打印體系中引入可退浸潤的三相接觸線（TCL） ， 可顯著減少液體樹脂在固化結(jié)構(gòu)表面的殘留；同時(shí)還降低了界面粘附 ， 并且增加了液體內(nèi)部樹脂的流動 ， 可防止高速打印過程中樹脂由于持續(xù)處于高強(qiáng)度輻照狀態(tài)下導(dǎo)致的打印結(jié)構(gòu)凸起或臺階結(jié)構(gòu) ， 從而顯著提高3D打印的精度和穩(wěn)定性 ， 實(shí)現(xiàn)一滴成型 。 這種利用單個(gè)墨滴高效構(gòu)建精細(xì)3D結(jié)構(gòu)的策略對于節(jié)約墨水材料、按需個(gè)性化制備具有重要的意義 。 研究成果近日發(fā)表于《Nature Communications》上（Nat. Commun., 2020, 11, 4685） 。
利用該技術(shù)打印一顆牙齒（圖片來源：作者提供）
“一滴成型”是如何實(shí)現(xiàn)的？
利用單個(gè)墨滴就能精確打印出你想要的東西 ， 聽上去是不是很神奇 。 那么這一過程是如何實(shí)現(xiàn)的呢？研究人員發(fā)現(xiàn) ， 實(shí)現(xiàn)單墨滴3D打印的關(guān)鍵是三相接觸線的可控回縮 ， 這主要涉及3D打印體系中三個(gè)界面間粘附力值的相對大?。杭匆后w樹脂與固化界面的粘附、固體樹脂與固化界面的粘附及液體樹脂與固體樹脂之間的粘附 。 為研究具有不同界面性質(zhì)的基底對單墨滴打印過程的影響 ， 研究人員選擇了三種不同結(jié)構(gòu)的低粘附基底：光滑的氟化石英基底、具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超雙疏基底及潤滑基底來進(jìn)行研究 。
在光滑的氟化石英基底上 ， 盡管三相線可以發(fā)生回縮 ， 但由于固化樹脂與固化界面之間的粘附力大 ， 單墨滴3D打印不能實(shí)現(xiàn)；在具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的超雙疏結(jié)構(gòu)基底上 ， 可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)打印 。 但由于超雙疏的產(chǎn)生源于微納復(fù)合結(jié)構(gòu)與液體樹脂之間形成的空氣層 ， 因此連續(xù)打印過程不穩(wěn)定且打印結(jié)構(gòu)有豎直條紋；在潤滑基底上 ， 單墨滴可完全轉(zhuǎn)化為所設(shè)計(jì)的3D結(jié)構(gòu) ， 且打印結(jié)構(gòu)具有光滑側(cè)壁 。

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