大数跨境
0
0

浙江大学谢涛教授团队:基于正交光化学的灰度双颜色3D打印

浙江大学谢涛教授团队:基于正交光化学的灰度双颜色3D打印 高分子科技
2024-01-20
1
导读:基于正交光化学原理,实现了光固化3D打印物体的表面着色...
点击上方蓝字 一键订阅

3D打印是一种联结三维设计到终端产品的技术,能够低成本、高效地制造复杂结构,广泛应用于软机器人、医疗设备和可穿戴电子产品等多个领域。目前,仍然没有成熟的对3D打印产品进行着色的解决方案,需要制作者后期手动涂上颜色和图案。多材料3D打印(如Polyjet)采用一系列喷嘴逐像素喷射不同的材料,可以同时集成多种颜色。然而,这种逐点打印的技术效率低、设备成本高。


数字光处理(DLP)打印是一种逐面打印的成型方法,在速度、成本等方面具有显著优势。但是,常规的 DLP 打印设备仅有一个树脂槽,打印件为单一均质。两个可转换的树脂槽可以直接打印彩色部件,但需要配置复杂的树脂槽切换装置以避免不同树脂之间的交叉污染,因此会影响打印效率。之前研究报道了一种颜色会随自由基氧化而变色的特殊染料,并结合灰度曝光实现了带有颜色的3D打印。但是该方法会将材料的聚合过程与着色过程相耦合,很难针对某一过程独立调控。

近日,浙江大学谢涛教授团队报道了一种采用正交光化学实现灰度双颜色3D打印的方法。用于3D打印的光固化树脂包括聚合物单体、自由基光引发剂、光产酸和酸敏染料。在DLP打印过程中,光源的波长为405 nm,自由基光引发剂被激活并引起单体聚合,实现光敏树脂的打印成型。之后将打印件置于数字化的365 nm紫外光曝光,曝光区域的光产酸被激活并与酸敏染料反应显色,未曝光区域不会发生颜色变化。基于正交光化学原理,不仅可以独立地控制 3D 打印过程和着色过程,而且可以解耦材料的力学性能和图案设计,为多颜色3D打印这一难题提供了一种新的解决方案。

405nm数字光投影仪曝光下,自由基引发剂被激活,丙烯酸酯单体聚合形成聚合物膜。365 nm紫外光曝光下,光产酸剂(PAG)被激活,与酸敏染料(2-苯胺基-3-甲基-6-(二丁基氨基)荧烷)反应变成黑色。这种设计的优点是可以使用405 nm 和 365 nm曝光,独立地控制聚合和着色过程。不仅可以自由定义打印件的形状,还可以自由定义颜色和图案。

图1. 2D聚合物膜的着色过程 (a) 制造过程示意图 (b) 聚合成分的化学结构 (c)着色机理 (d) TPO-L和PAG的紫外可见光谱 (e) 形状、图案可定制的2D着色聚合物膜(厚度: 0.5 mm),比例尺: 1 cm。

为了实现最佳的着色性能,包括对比度和分辨率,研究者对光敏树脂的成分进行系统优化。结果表明,质量分数0.2%的染料,4%的光产酸,5%的ACMO可以使着色效果最佳。结合灰度曝光的紫外光投影仪,可以制作具有精美细节的灰度图案。

图2. 着色过程的优化与调控 (a) 染料含量对透光度的影响 (b) PAG含量对透光度的影响 (c-d) ACMO对透光度的影响 (e) 曝光时间对透光度的影响 (f) 精度测试 (g) 灰度山水画的制作 (h) 不同颜色的染料的透光度(厚度: 0.1 mm)。

使用上述树脂,先用波长405nm的DLP打印机打印三维物体,再区域化紫外曝光,可以赋予三维物体颜色和图案。值得注意的是,365 nm曝光不会影响固化后的聚合物材料的力学性能,因此可以利用材料的形状记忆效应,对一些难以直接曝光的三维物体(如大曲率结构和多层结构)进行着色。

图3. 3D打印着色过程 (a) 示意图 (b) 405 nm DLP打印过程的固化动力学 (c) 着色的3D打印物体 (d) 基于形状记忆的4D打印着色过程。

此外,利用4D打印,向2D光固化薄膜中引入非均匀应力,便可直接在3D物体的表面着色。

图4. 4D打印着色过程 (a) 示意图 (b) 曝光时间对质量损失的影响 (c) 曝光时间对曲率的影响 (d) 4D打印着色过程。曝光图案中,深蓝色和浅蓝色图案代表405 nm曝光80 s和20 s,紫色区域代表365 nm曝光40 s,厚度: 0.5 mm, 比例尺1 cm。

本文基于正交光化学原理,实现了光固化3D打印物体的表面着色。该原理有望与双光源的新型打印平台结合,拓展至颜色以外的其他多材料3D打印体系。

相关论文“Gray-Scale Color 3D/4D Printing via Orthogonal Photochemistry”,发表在Chem & Bio Engineering的“3D/4D打印”专题上。浙江大学化工学院博士研究生卢亚辉为论文第一作者,浙江大学化工学院谢涛教授和浙江大学宁波研究院吴晶军副研究员为共同通讯作者。


原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cbe.3c00088


相关进展

浙大谢涛教授、赵骞教授团队 Nature:一片水凝胶,做一个定时开机的“变形金刚”

浙江大学谢涛教授团队 Nat. Chem.:热固性聚氨酯泡沫向高性能3D打印树脂的升值回收

浙大谢涛教授课题组 Angew:可正交编程宏观形状与微观拓扑结构的动态高分子

浙江大学谢涛教授课题组《Adv. Mater.》:在液晶弹性体取向机理上取得新进展

浙江大学谢涛教授团队《AM》:可自发变形的超分子形状记忆聚合物

浙江大学谢涛/赵骞教授团队《Chem. Eng. J.》:数字化光处理技术制备双向形状记忆聚合物

浙江大学谢涛教授课题组《Nat. Commun.》:三维折纸透明玻璃

浙江大学谢涛教授课题组在《Chemical Reviews》发表动态共价高分子网络综述

浙江大学谢涛教授团队:可编程高分子来了,它给材料N种“生命”

浙江大学谢涛团队《AFM》:通过数字化光控结晶实现形状记忆聚合物的4D变形

浙江大学谢涛团队《Matter》:模块化4D打印

浙江大学化工学院谢涛教授团队招聘研究员、博士后

浙江大学谢涛教授课题组在4D打印形状记忆聚合物方面取得新进展

浙大谢涛教授课题组发明可编程塑料:编码无“色”之色(含视频)

浙江大学谢涛教授系统综述:4D打印的研究进展,包括打印工艺、打印材料及两者之间的内在联系

浙大谢涛教授:智能变形高分子材料(清晰版)

免责声明:部分资料来源于网络,转载的目的在于传递更多信息及分享,并不意味着赞同其观点或证实其真实性,也不构成其他建议。仅提供交流平台,不为其版权负责。如涉及侵权,请联系我们及时修改或删除。邮箱:info@polymer.cn

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群,请先加审核微信号PolymerChina(或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。

这里“阅读原文”,查看更多


【声明】内容源于网络
0
0
高分子科技
高分子科技®协同全球高分子产业门户及创新平台 “ 中国聚合物网 www.polymer.cn ” ,实时报道高分子科学前沿动态,关注和分享新材料、新工艺、新技术、新设备等一线科技创新设计、解决方案,促进产学研及市场一体化合作的共同发展。
内容 16581
粉丝 0
高分子科技 高分子科技®协同全球高分子产业门户及创新平台 “ 中国聚合物网 www.polymer.cn ” ,实时报道高分子科学前沿动态,关注和分享新材料、新工艺、新技术、新设备等一线科技创新设计、解决方案,促进产学研及市场一体化合作的共同发展。
总阅读4.4k
粉丝0
内容16.6k