2019-03-13 06:24:01
Light为多种材料的3D打印提供控制

3D打印彻底改变了医疗保健,生物医学工程,制造和艺术设计领域。

尽管大多数3D打印技术一次只能生产由一种材料制成的零件,但成功的应用已经到来。如果3D打印机可以使用不同的材料并创建多材料部件,则可以开发更复杂的应用程序。

新的研究使用不同波长的光来实现这种复杂性。威斯康星大学麦迪逊分校的科学家开发了一种新型三维打印机,它使用可见光和紫外光模式来决定两种单体中的哪一种聚合形成固体材料。不同的光图案提供了产生多材料部件所必需的空间控制。这项工作于2月15日在Nature Communications杂志上发表。

“像3D打印一样惊人,在很多情况下它只提供一种颜色可以用于涂漆,”UW-Madison化学教授A.J. Boydston带领他最近与他的研究生Johanna Schwartz合作。 “这个领域需要一个完整的调色板。”

Boydston和Schwartz知道改进的印刷材料需要化学方法来补充工程进步。

“这是我们如何考虑在一个物体中使用多种材料进行3D打印的方式,”Boydston说。 “从分子到网络,这更像是一种自下而上的化学家的方法。”

3D打印是通过在先前层的顶部连续添加薄层材料从数字文件制作实心三维对象的过程。大多数多材料3-D印刷方法使用单独的材料储存器以在不同位置获得不同的材料。

但是Boydston意识到,在合成分子时,一种单罐,多组分方法 - 类似于化学家的一锅方法 - 比具有不同材料的多个储库更实用。该方法基于不同波长的光控制哪种起始材料聚合成固体产物的不同部分的能力。这些原料从简单的化学物质开始,称为单体,它们聚合成更长的一系列化学物质,就像塑料一样。

“如果你可以在PowerPoint中设计一个具有不同颜色的项目,那么我们可以根据这些颜色用不同的成分打印它,”Schwartz说。

研究人员创建了多个数字图像,这些图像在堆叠时会产生三维设计。图像控制是否使用紫外线或可见光来聚合起始材料,起始材料控制最终材料及其性质,如刚度。研究人员同时将来自两台投影仪的光线导向一大桶液体原材料,其中各层在平台上逐层构建。构建一个层之后,构建平台向上移动,而light有助于构建下一层。

Boydston和Schwartz面临的主要障碍是优化原料的化学性质。他们首先考虑了两种单体在一个桶中的表现。他们还必须确保单体具有相似的固化时间,以使每层内的硬质和软质材料在大约相同的时间内完成干燥。

通过适当的化学反应,Boydston和Schwartz现在可以通过使用紫外线或可见光确切地决定每个单体在印刷物体内固化的位置。

“在这个阶段,我们只是一步到位地将硬质材料放在软质材料旁边,”Boydston说。 “有许多不完善之处,但这些都是令人兴奋的新挑战。”

现在,Boydston希望解决这些缺陷并回答未解决的问题,例如可以使用其他单体组合以及是否可以使用不同波长的光来固化这些新材料。 Boydston还希望组建一个跨学科团队,可以增加波长控制的多材料3D打印的影响。

研究人员用于多材料3D打印的新方法可以使设计师,艺术家,工程师和科学家用3D打印创建更复杂的系统。应用可包括创建个性化医疗设备,例如假肢,或模拟器官和组织的发展。医学生可以使用这些合成器官进行培训,而不是在与患者一起工作之前或之前进行培训。

Schwartz表示,使用化学方法消除工程瓶颈正是3D打印行业需要向前发展的方向。

施瓦茨说:“正是这种化学和工程界面将推动该领域达到新的高度。”

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