日本横滨国立大学开发出3D打印多材料多色彩微结构的新方法

2020年9月21日，白令三维从外媒获悉，日本横滨国立大学(YNU)的研究人员设计了一种新的3D打印方法，能够使用不同的材料3D打印多色微结构。

团队基于立体光刻技术(SLA)让几种树脂处于液滴状态，这使得它们在打印过程中可以进行交换，而不会造成空隙或交叉污染。利用他们新颖的生产工艺，科学家们创造出了许多多色多材料的物体，同时产生的浪费较少。

研究人员称，新的打印方法可用于生产一系列的光学部件，如传感器和执行器，甚至可用于医疗行业内。

YNU研究项目的团队负责人Shoji Maruo说："将多种材料结合在一起，可以创造出用单一材料无法实现的功能。像我们这样的方法，可以实现多材料结构的单步制造，省去了组装工序，可以实现高精度、低成本的设备生产。"

△横滨研究人员开发了一种装置，可以防止材料切换时的交叉污染，图片来自YNU

多材料3D打印的魅力 

多材料3D打印方法，可以利用各种不同树脂的特点，创造优化的高功能结构。近年来，世界各地的研究人员都在开发自己的多材料打印方法。

来自哥伦比亚大学的研究人员创造了一种绰号为 "反向激光烧结 "的技术，它可以同时烧结多种类型的粉末。同时，德国3D打印机制造商voxeljet也优化了高速烧结（HSS）工艺，以提供具有多材料特性的部件。

Stratasys在过去几年中也通过J750系统提供了多材料解决方案，在2017年Formnext上首次亮相。

然而，根据横滨科学家的说法，这些方法都有类似的缺陷。在现有的多材料SLA中，树脂被挤出，然后在同一通道内迅速切换。

由此产生的交叉污染，使树脂无法重复使用，经常需要更换，导致材料浪费增加。虽然可以引入清洗工艺来减少浪费，但这通常会限制可以使用的树脂数量，首先就违背了多材料打印的目的。

△利用他们新颖的生产方法，研究人员能够同时使用四种不同的3D打印材料，图片来自《光学材料快报》杂志

横滨团队的新型3D打印方法

为了克服之前开发的SLA技术的缺点，横滨团队开发了一种两阶段的清洗工艺。首先，制作一个玻璃调色板，可储存多滴树脂和两个清洗溶剂罐。然后，调色板被安装到线性平移平台上，其中第二个罐中的空气吹扫装置用于干燥材料，消除任何交叉污染的可能性。

△材料更换和清洗的流程

在测试他们的新型3D打印方法时，研究人员注意到，当他们交换光固化树脂时，3D模型中开始形成气泡。科学家们发现很难通过减慢过程来抑制气泡，于是他们尝试着将模型水平移动，同时保持在调色板上方，并留下一个小的间隙。

△清洗过程中通过清洗工艺的不同进行污染评价实验。(a) 使用透明和绿色树脂的立方体模型，(b)只使用一次清洗的树脂立方体模型的侧视图。
（c）同时进行一次和二次清洗的立方体模型侧视图。

利用他们修改后的生产方法，团队能够将气泡推出打印区域，使3D打印出的物体不存在任何空隙。研究人员后来重新测试了他们的技术，将多种不同的光固化树脂放入他们的调色板中，并利用它们制造出各种微小的微结构。

△横滨团队通过3D打印一个具有四种不同颜色的50层立方体来测试他们的新方法，图片来自《Optical Materials Express》杂志

在一次这样的实验中，团队花了6个小时完成，通过交换五种颜色的树脂250次，创造了一个多色的50层立方体。对3D打印物体的总结评估验证了科学家们的方法，因为他们成功地将多种树脂集成到一个产品中，而没有造成任何污染或空隙。

Maruo说："这种方法不仅可以应用于多色树脂，还可以应用于更广泛的材料，例如，将各种陶瓷微颗粒或纳米颗粒与光固化树脂混合，可以用来3D打印各种类型的玻璃。它还可以与生物相容性陶瓷材料一起使用，以创建用于再生骨骼和牙齿的支架。"

在团队初步测试成功后，他们认为他们新颖的SLA 3D打印方法是成功的。科学家们不仅成功地防止了任何交叉污染，而且他们还证明了可以同时使用四种不同的材料。团队预测，他们的技术可以部署在生产功能性终端设备的过程中，应用于医疗领域。

Maruo总结道："使用3D打印制造多材料微尺度光学元件的能力，可以帮助用于医疗治疗和诊断的光学设备的小型化，这可以提高在身体内或身体上使用这些设备的能力，同时还可以使它们成为一次性的，这将有助于提供先进和安全的医疗诊断。"