機(jī)械社區(qū)

在從液體里“拉”出固體的3D打印技術(shù)當(dāng)中，活化固化劑的方式從熱壓變成了光，所以這種技術(shù)被稱為立體光固化成型（Stereo lithography Appearance，SLA）。這里所用到的液體材料被稱為光敏樹脂，一般是環(huán)氧樹脂或不飽和聚酯等摻雜一些對特定波長敏感的光引發(fā)劑制成的。這類技術(shù)本身也并不是什么新生事物了，它的歷史可以追溯到1984年[2]。

簡單來說，立體光固化的過程就是光照射光敏樹脂表面，使其固化成薄薄的一層固體，已經(jīng)固化完成的部分被一塊基板黏附著，逐漸與光照射面拉開一定距離（通常是每次移動十幾個微米），然后在上一層固化樹脂的基礎(chǔ)上再進(jìn)行下一層的照射和固化。經(jīng)過層層固化疊加之后，最終就形成一個完整的立體結(jié)構(gòu)。下面這張圖表示的就是SLA設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，固化反應(yīng)發(fā)生在打印樹脂與透光玻璃板的交界面上，由于光照射面在液面的下方，打印的過程看上去就像從液體里“拉”出了打印制件一樣。

傳統(tǒng)SLA技術(shù)的固化受光引發(fā)劑種類、光引發(fā)劑濃度、光照強(qiáng)度和照射時間等條件的影響，一般引發(fā)劑濃度越高，光強(qiáng)度越高固化速度越快。光的強(qiáng)度會隨著射入物體的深度逐漸降低，只有靠近照射面的一小部分會固化的相對均勻和徹底，理論上打印的精度完全取決于具有足夠能量激活引發(fā)劑的光能夠穿透多深的樹脂。理論上講，只要提高引發(fā)劑濃度和光強(qiáng)就可以加快打印速度，但因?yàn)楣袒�反�?yīng)發(fā)生在樹脂與透光板的交界面上，過快的反應(yīng)速度很容易使制件和透光板粘在一起，導(dǎo)致打印失敗。

在此前，解決這一問題的方法主要是降低固化速度，在樹脂完全固化之前移動底板，使部分固化的樹脂與透光板脫離接觸，新的低粘度樹脂會補(bǔ)充到原來的位置，然后再開始下一層的固化。但這樣一來，打印速度就無法有效提高了。

而在新的CLIP系統(tǒng)中，研究者們通過固化-阻聚效應(yīng)的平衡巧妙地解決了這個問題。CLIP底面的透光板采用了透氧、透紫外光的特氟龍材料（聚四氟乙烯），而透過的氧氣進(jìn)入到樹脂液體中可以起到阻聚劑的作用，阻止固化反應(yīng)的發(fā)生。氧氣和紫外光照的作用在這個區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生一種相互制衡的效果：一方面，光照會活化固化劑，而另一方面，氧氣又會抑制反應(yīng)，使得靠近底面部分的固化速度變慢（也就是所謂的“dead zone”）。當(dāng)制件離開這個區(qū)域后，脫離氧氣制約的材料可以迅速地發(fā)生反應(yīng)，將樹脂固化成型。在傳統(tǒng)的SLA技術(shù)中，抑制固化的氧氣本來是人們避之不及的存在，但是經(jīng)過巧妙設(shè)計之后，它反而成了提高打印效率的幫手，這也算是一種相當(dāng)戲劇性的逆轉(zhuǎn)。

除了快，CLIP系統(tǒng)也提高了3D打印的精度，而這一點(diǎn)的關(guān)鍵還也在“死區(qū)”上。傳統(tǒng)的SLA技術(shù)在打印換層的時候需要拉動尚未完全固化的樹脂層，為了不破壞樹脂層的結(jié)構(gòu)，每個單層切片都必須保證一定的厚度來維持強(qiáng)度。而CLIP的固化層下面接觸的是液態(tài)的“死區(qū)”，不需要擔(dān)心它與透光板粘連，因此自然也更不容易被破壞。于是，樹脂層就可以被切得更薄，更高精度的打印也就能夠?qū)崿F(xiàn)了。

這樣的方法聽起來很簡單，不過為了讓它順利工作，研究人員們也進(jìn)行了相當(dāng)復(fù)雜的計算與調(diào)試。通過合適的打印條件和原料液配方控制，困擾3D打印技術(shù)已久的高速連續(xù)化打印問題在CLIP技術(shù)中被完全克服，這是高分子學(xué)科工程史上一次融合應(yīng)用的創(chuàng)舉，登上《科學(xué)》封面確實(shí)當(dāng)之無愧。