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吴蔚课题组:低成本精度可变多尺度3D打印技术,高效制造功能性微结构
吴蔚课题组:低成本精度可变多尺度3D打印技术,高效制造功能性微结构
2019/3/28 1:33:17 | 浏览:492 | 评论:0
封面文章:Wei Wu课题组 纳米人 2019-03-23

吴蔚课题组:低成本精度可变多尺度3D打印技术,高效制造功能性微结构

第一作者:Yuanrui Li

通讯作者:Wei Wu

通讯单位:南加州大学(美国)

研究亮点:

1. 提出了一种低成本精度可变多尺度3D打印技术,在将精度提高到37微米的同时提高了3D打印速度4.4倍。

2. 该技术填补了大体积高分辨率3维制造的空白,特别是用于制造具有微纳结构表面的仿生材料。

3. 研究人员成功打印了大面积的具有微米尺度结构的仿生鲨鱼皮,通过减阻测试,研究人员发现平均10%减阻效果。同时仿生荷叶结构样品也被打印出来并且观察到了超疏水效果。

3D打印:精度与速度之间的矛盾

目前3D打印技术已经可以获得较高的精度,很多微尺度的结构都可以被很容易的制造出来。而且和传统加工方式相比,3D打印技术有很多优点。比如可以制造相对复杂的结构、节省材料、一体打印组装件等等。但是目前高精度3D打印技术仍然没有被大范围的应用于工业生产中,这是因为如何在保持高精度的前提下提高打印速率是目前3D打印的一大技术难题。

为什么高精度和快速打印不可兼得呢?首先我们需要了解激光3D打印的成型原理,在传统的3D打印的过程中,每次激光会停留在一处并且固化这个地方的树脂然后再移动到下一处地方继续固化该处的树脂,如此反复最终获得想要的结构。但是如果想要获得高精度,就需要降低激光光点尺寸从而每次固化更少体积的树脂,导致激光需要扫过更多的点从而大大降低了打印的速率。因此目前的3D打印技术很难在保证高精度的前提下同时达到较快的打印速度,这也大大制约了3D打印的应用前景。

吴蔚课题组:低成本精度可变多尺度3D打印技术,高效制造功能性微结构

图1:3D打印过程中每次固化的树脂体积元。为了提高精度10倍,所需要的体积元需增长103倍。

成果简介

有鉴于此,南加州大学吴蔚课题组陈勇课题组提出了精度可变多尺度3D打印技术,在保持较高精度的前提下,打印速率达到传统3D打印技术的数倍。该研究为解决3D打印技术高精度和高速率的矛盾提供了新的思路。

吴蔚课题组:低成本精度可变多尺度3D打印技术,高效制造功能性微结构

图2:期刊封底

要点1:精度可变多尺度打印机的设计

研究人员通过观察发现,在实际应用中人们对于3D打印的物体往往只需要结构的表面具有较高精度而内部并不需要。在这种情况下,如果把打印物体的表面和内部分开处理,在打印内部时固化较大体积元的树脂以提高打印速率而在打印表面时使用更小的体积元以提高精度。通过这种方法,就可以在保证表面高精度的前提下尽量提高整体打印速率。如下图3所示,将打印物体的模型分成低精度内部和高精度表面,通过这种方式就解决了高精度和快速打印的矛盾。

吴蔚课题组:低成本精度可变多尺度3D打印技术,高效制造功能性微结构

图3:将3D打印物件模型分成低精度内部和高精度表面

基于上述设计,研究人员设计了一台可切换式3D打印机。在这台仪器中一束405纳米激光和一束445纳米激光被用于固化树脂,通过半透镜,这两束激光会通过同一光路经过一块激光滤片。该激光滤片是基于纳米压印技术制造出来的,445纳米激光将会完全通过此激光滤片,如图4(b)所示。而405纳米激光只能通过激光滤片的中央开孔,如图4(c)所示。因此通过此激光滤片就可以调整两束激光的光斑大小。

吴蔚课题组:低成本精度可变多尺度3D打印技术,高效制造功能性微结构

图4:可切换式多尺度打印机和激光滤片工作原理

然后这两束激光被反射到仪器中的树脂皿用于固化树脂。光斑大的445纳米激光每次可以固化较大的树脂体积元,而光斑很小的405纳米激光每次只固化较小的体积元。在打印物体内部时使用大光斑激光以提高打印速率而打印物体表面时使用小光斑激光获得很高的表面精度。这样仅仅通过切换两束激光的开关,就可以在高低精度间切换从而达到提高打印速率的目的。

要点2:仿生鲨鱼皮&仿生荷叶的打印

如下图5所示,利用可切换式3D打印机,研究人员打印出了内部具有仿生鲨鱼皮结构的管道,通过流体阻力测试,他们发现无鲨鱼皮结构的光滑管道的摩擦系数为0.046 0.0017,如果加上仿生鲨鱼皮结构,管道的摩擦系数会降到0.042 0.0016,因此能够获得10%的平均减阻效果。研究人员同样测试了不同尺寸的鲨鱼皮结构并且发现高度为142微米的结构具有最理想的减阻效果。具有齿状微结构的复杂结构仿生鲨鱼皮也被成功打印(图6)。

吴蔚课题组:低成本精度可变多尺度3D打印技术,高效制造功能性微结构

图5:仿生鲨鱼皮的实际打印样品和减阻测试

吴蔚课题组:低成本精度可变多尺度3D打印技术,高效制造功能性微结构

图6:具有齿状微结构的仿生鲨鱼皮

同时研究人员也打印出了仿生荷叶结构并且这种结构确实表现出了超疏水效果,其效果如下图所示。

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图7:大自然中的荷叶和实际打印样品对比

小结

这项发明成功的解决了传统3D打印技术中高精度和快速打印的矛盾,并且在实际应用中,获得了较快的打印速率的同时实现了很高的表面精度。这给3D打印在工业中的应用提供了新的思路,我们有理由相信,3D打印技术将会拥有更加广阔的应用前景。

 

参考文献:

Yuanrui Li, Wei Wu, et al. BioinspiredFunctional Surfaces Enabled by Multiscale Stereolithography. Advanced MaterialsTechnologies, 2019.

DOI:10.1002/admt.201800638

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.201800638

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