神奇的3D打印：如何快速將一滴墨水變成一顆牙齒

看過科幻電影《終結者2》的朋友對里面的液態(tài)金屬機器人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)金屬構成，可以在液態(tài)和固態(tài)中自如轉換，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！

藝術來源于生活，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，有的考慮將這種獨特的“能力”運用于3D打印。你沒看錯，就是3D打印，那么如何進行應用呢？下面就為大家揭曉謎底。

單墨滴3D打印，又省材料又可靠

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎，利用聚合物樹脂、金屬、陶瓷、納米復合物等可打印材料，基于逐層打印的方式來構造三維立體結構的技術。該技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、汽車、航空航天等多種領域應用廣泛。

在眾多3D打印技術中，基于光固化的連續(xù)3D打印技術已成為構造3D結構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構的表面，其附著量會隨著打印速度和粘度的增加而增加;同時，由于光散射的存在，導致非圖案區(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3D結構。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構表面的殘留;同時還降低了界面粘附，并且增加了液體內部樹脂的流動，可防止高速打印過程中樹脂由于持續(xù)處于高強度輻照狀態(tài)下導致的打印結構凸起或臺階結構，從而顯著提高3D打印的精度和穩(wěn)定性，實現(xiàn)一滴成型。這種利用單個墨滴高效構建精細3D結構的策略對于節(jié)約墨水材料、按需個性化制備具有重要的意義。

“一滴成型”是如何實現(xiàn)的？

利用單個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現(xiàn)的呢？研究人員發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)單墨滴3D打印的關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構的低粘附基底：光滑的氟化石英基底、具有微納復合結構的超雙疏基底及潤滑基底來進行研究。

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打印不能實現(xiàn);在具有微納復合結構的超雙疏結構基底上，可以實現(xiàn)連續(xù)打印。但由于超雙疏的產(chǎn)生源于微納復合結構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)定且打印結構有豎直條紋;在潤滑基底上，單墨滴可完全轉化為所設計的3D結構，且打印結構具有光滑側壁。

研究人員對此現(xiàn)象進行了系統(tǒng)性的研究，得出實現(xiàn)單墨滴3D連續(xù)打印需滿足的兩個條件，即液體樹脂與固化樹脂間的粘附（γ1）應大于液體樹脂與固化界面之間的粘附（γ3），同時液體樹脂與固化界面之間的粘附（γ3）應大于固化樹脂與固化界面的粘附（γ2），這為單墨滴3D打印的普適性奠定了基礎。

研究人員進一步研究了單墨滴3D打印的材料凈利用率，即洗凈的3D結構的質量與液滴質量的比值。發(fā)現(xiàn)隨液滴質量的增加，單墨滴材料利用率降低;隨著UV投影面積的增加，單墨滴材料利用率增加;隨著樹脂的三維分布增大或長寬比的增大，單墨滴材料利用率降低，因此可通過以上因素調控單墨滴打印的凈利用率，實現(xiàn)一滴成型。

研究人員基于單墨滴3D打印制備了三種不同的精細牙齒結構，從圖3中可以看出打印結構表面光滑，且與設計結構具有相同的形貌，可完全與牙齒模型嵌合，也就是說打印結構具有良好的結構可控性和邊緣完整性，并具有極高的材料利用率。

雖然聽起來復雜又高深，但3D打印是能切實應用于生活中的、為我們帶來便利的一項技術。希望科學家們未來能發(fā)明出更多更節(jié)能的打印方式，讓3D打印更好地造福于人類。