最新增材nature：10⁴mm³/分钟！体积3D打印突破速度与精度上限
随着3D打印技术的快速发展，其在生物打印、原型制作和制造应用中的潜力日益凸显。传统的3D打印方法，如光固化技术，主要依赖于光一次固化一层材料，虽然在分辨率和几何精度方面表现优异，但打印速度、材料成分和产量均受到限制。为了克服这些局限，研究者们不断探索新的3D打印技术，以提高打印速度和材料兼容性。其中，体积打印方法逐渐崭露头角，它通过同时固化整个体积内的材料来实现快速制造。然而，这些方法仍面临材料透明度、分辨率和打印速度等方面的挑战。
在此背景下，墨尔本大学的David J. Collins教授和Callum Vidler等人于2024年10月30日在nature杂志发表了题为“Dynamic interface printing”的文章，提出了一种名为动态界面3D打印（DIP）的新方法。DIP技术利用声学调制和约束气液边界，在数十秒内快速生成厘米级3D结构，无需复杂的反馈系统、专门的化学或复杂的光学器件，同时保持快速的打印速度。这种方法为需要高分辨率、可扩展制造规模和生物相容性打印的应用提供了新的解决方案。
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08077-6
动态界面3D打印技术原理
DIP技术通过一个底部开放、顶部密封的空心打印头，将打印头浸入液体预聚物溶液中，使其内部形成空气。在打印头的末端形成一个气液界面，该界面作为打印界面，通过可见光（λ=405nm）从上方透过玻璃窗传输，固化光敏聚合物。通过调整打印头内部的气压，可以控制界面的位置和曲率，实现与焦点平面的对齐。通过连续投影二维图像，构建出三维结构。
DIP技术的一个核心特点是通过声学调制来振动打印界面，从而产生毛细管-重力波，增强材料传输，提高打印速度和精度。通过调制打印头内部的气压，可以在打印过程中控制界面的形状和位置。
DIP技术原理
DIP技术借助声调制实现打印
DIP系统运行特写
由于DIP技术使用的是曲面界面而非传统的平面界面，因此需要将3D数字模型转换为一系列适应界面轮廓的图像。研究者开发了凸面切片算法，通过贝塞尔曲线预测界面形状，并计算投影序列。
动态界面3D打印的优点：多功能、高效
本项研究无需特殊化学或光学反馈系统即可快速创建任意支撑结构的能力。这种方法还可与多种材料兼容，包括柔软且在生物学上相关的水凝胶、不透明材料，从而适用于高活性组织工程、可扩展制造和快速原型制作。
DIP技术快速3D打印心脏模型
研究者评估了多种材料的打印速度与光功率的关系，确定了理想的打印参数空间。通过实验，DIP技术能够实现高达10⁴mm³/min的体积制造速率，超过了其他高速打印过程，研究者发现即使在较低的光功率下，也能实现厘米级结构的快速打印。据报道，该方法的3D打印速度可以比传统生物打印机快350倍左右，在保持高结构精度的同时降低了细胞损伤的可能性。
与现有技术的比较
其他体积打印技术已被用于快速制造厘米级构建物，例如计算轴向光刻技术以及xolography的双步光化学过程。
计算轴向光刻（CAL）技术涉及旋转一个充满光敏聚合物的容器，同时将其暴露于一系列来自不同方位角的中心投影光束，使得累积的光束交点形成目标物体。由于该过程依赖于局部氧气耗尽来限制聚合反应，固化程度对聚合剂量和材料组成高度敏感。尽管计算校正可以部分缓解这些效应，但它们对这些系统中的树脂和生物墨水施加了限制。
计算轴向光刻技术实现体积3D打印
xolography采用双步光化学过程，其中聚合反应由两个波长的光引发——一个来自光片，另一个来自正交投影——同时汇聚创建所需的物体，这种技术能够实现快速、高分辨率的打印，且打印出的物品表面异常光滑，无需后续的抛光处理。
双步光化学实现体积3D打印
与DIP技术相比，尽管这些体积打印方法允许快速制造自由悬浮的各向同性结构，但它们受到对专业光学系统或材料配方的需求的限制。具体来说，体积分辨率与材料透明度内在相关，这排除或限制了许多添加剂的使用，如细胞、颗粒材料和染料。
在传统的自下而上立体光刻中，氧气也可以作为自由基抑制剂，以抑制打印界面的聚合反应。例如，连续液体界面生产技术使用氧气透过膜作为制造界面，创建了一个聚合反应的dead zone，材料可以在此连续补充。然而，在这种方法中，打印结构逐渐从一个浅层液体储层中提取出来，这对于像水凝胶这样的软材料来说存在困难，因为它们在从液体悬浮状态移除时常常表现出结构不稳定。
传统DLP与CLIP技术的打印过程比较
总结
这篇研究展示的体积高速3D打印技术，远远超过了其他快速打印技术。这种技术不需要特殊的化学药品或复杂的光学系统，而是利用表面张力和声波驱动来实现打印。这种方法还可以同时使用多个打印头，提高生产效率，甚至可以在一个多孔板上同时打印多个结构。
该技术还允许在打印过程中进行精确控制和调整，实现复杂的三维图案。预计未来这项技术还会有更多的应用，比如直接在打印头上集成声波系统，或者实现多种材料的顺序打印。
此外，这种打印技术对于生物制造领域尤其有前景，因为它能够快速打印出柔软、生物相容的材料，而不需要加热或对材料的光学特性有特别要求。这种技术还可以在三维空间中精确定位打印界面，这对于在实验室多孔板中制造生物结构非常有用。
注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。
