LLNL发现新树脂扩大3D打印范围，可实现生物支架、电子设备的打印

来源：江苏激光联盟

导读：来自劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL,Lawrence Livermore National Laboratory）的研究人员针对其开创性的体积3D打印方法改编了新型材料，该方法几乎可以立即生产物体，从而大大扩展了该技术可实现的材料性能范围。这项研究成果10月1日发表在《Advanced Materials 》杂志上，并在《Nature》杂志上进行了重点介绍。

体积增材制造(Volumetric additive manufacturing,VAM)是基于光聚合物3D打印的一种新兴方法，该方法可以一步完成复杂的3D结构，而无需逐层堆积。这种方法能克服基于逐层制造的许多缺点，例如构建时间长和表面粗糙。VAM还预示着感光聚合物3D打印可用材料的拓宽，与分层打印相比，对粘度和反应性的约束更少。确实，尽管VAM已在极软的水凝胶中得到证明，但到目前为止，它几乎完全依赖于丙烯酸酯类化学试剂。然而，由于所得材料的脆性和玻璃态性质，丙烯酸酯化学试剂通常受到限制。作为获得机械性能、热性能和光学性能的范围更广替代方法，非常需要在VAM领域以及更广泛的AM中引入替代的交联化学方法。硫醇烯基聚合物是一类因其可控、可调的机械性能而备受关注的材料。这通常是归因于聚合反应的逐步增长机理，硫醇烯材料中的分子网络更加均匀。

硫醇烯树脂是适用于体积3D打印的一类材料，它们可与LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)的体积增材制造(VAM)技术一起使用，包括计算机轴向光刻(CAL,computed axial lithograph)，该技术通过将三维图案化的光束投射到树脂小瓶中来产生物体。当光线将液体树脂在体积中的所需位置固化为固体时，样品瓶旋转，然后将未固化的树脂排干，在短短几秒钟内将3D对象留下（步骤如下动图）。

体积3D打印技术操作步骤

①先在一个杯子里装上光敏树脂液态材料

②使用DLP光源进行体曝光

③转盘带动杯子进行旋转

④在指定的位置把树脂固化

在研究人员的立体成像系统中，通过叠加多个角度的曝光将3D分布的光能传递到树脂桶，这种方法称为计算轴向光刻(CAL,computed axial lithograph)（如下图1）。曝光是使用计算机断层扫描（CT）算法从3D CAD模型计算出的一系列投影。

▲图1. VAM硬件配置示意图。左侧插图展示了从不同角度投射的示例，从而形成了右侧插图中所示的结构。比例尺：2毫米。

体积3D打印技术工作原理就像反向计算机断层（CT）扫描一样，在CT机中，X射线管在患者周围旋转，拍摄人体内部器官的照片。然后，计算机再利用这些投影重构出一幅3D画面。

以前，研究人员使用丙烯酸酯基树脂进行工作，这种丙烯酸酯基树脂通过CAL工艺可产生易碎且易碎的物体。但是，通过仔细平衡三种不同类型的而创建的新树脂化学具有更多用途，并为研究人员提供了灵活的设计分子空间和更广泛的机械性能。使用硫醇烯树脂，研究人员能够使用LLNL的定制VAM打印机来构建坚韧、坚固、可拉伸和柔性的物体。这些成果是朝着人们利用VAM方法显著扩展可用于光驱动三维打印的材料类型的愿景迈出的关键一步。

研究人员还演示了第一例从设计传递到树脂中的3D能量剂量以预测和测量打印物品的方法，该方法通过层析X射线照相体积增材制造成功地在硫醇树脂中印刷了3D结构。研究人员表示，该演示为受控3D制造和比较树脂系统提供了通用参考。

▲用VAM树脂印刷的复杂立方体和环形结构。比例尺:5毫米。

通过研究树脂在不同光剂量下的行为，研究人员补充说，他们的目的是改善计算模型与实验之间的一致性，并将光化学行为应用于计算机断层扫描重建过程中，以生成用于构建物体的3D模型。

这项研究代表着批量增材制造的“重大进步，因为他们朝着实现高性能印刷工程聚合物的目标迈进，尤其强调了在生物支架中使用硫醇材料。研究人员表示硫醇材料在粘合剂、电子产品和生物材料等应用中都显示出了希望。

参考文献：.Brett E. Kelly, Indrasen Bhattacharya, Hossein Heidari.
本文来源：Caitlyn C. Cook et al. Highly Tunable Thiol‐Ene Photoresins for Volumetric Additive Manufacturing, Advanced Materials (2020). DOI: 10.1002/adma.202003376