高精度光固化DLP 3D打印技術與創(chuàng)新應用前瞻
3D打印，亦稱增材制造，已從最初的快速原型技術，迭代為能夠突破傳統(tǒng)制造局限、直接成型復雜結構的數(shù)字化制造方案。在此進程中，數(shù)字光處理（DLP）技術以其高分辨率、高效率及卓越的材料兼容性，成為實現(xiàn)復雜結構與功能集成的關鍵力量。托托科技推出的織雀®系列3D光刻設備，以高達1μm的光學精度、強大的材料兼容性和獨有的駁接打印技術，為科研與產(chǎn)業(yè)在復雜三維微納結構領域的創(chuàng)新制造提供了堅實支撐。
3D打印技術分類
根據(jù)ISO/ASTM 52900:2015標準，3D打印可劃分為七大類，具體包括：粉末床熔融（DMLS）、材料擠出（FDM）、材料噴射（MJ）、槽式光聚合（SLS）、粘結劑噴射（BJ）、薄片層壓（LOM）以及直接能量沉積（LENS）。
DLP 3D打印技術簡介
數(shù)字光處理（DLP）是一種基于投影的桶光聚合3D打印技術，因其高分辨率和準確性而受到越來越多的關注。
對于DLP技術，用戶會將待打印的三維計算機輔助設計結構切片成薄層，并將這組層圖像輸入打印機。每一層圖像都作為灰度掩模，用于選擇性地固化樹脂。由于采用逐層打印技術，與SLA型打印機的逐點固化方式相比，DLP三維打印具有更快的打印速度。
用于多材料3D打印的DLP技術
在增材制造中，多材料（MM）打印能夠制造出具有幾何形狀和不同性能的復雜復合材料，提供功能性、環(huán)境適應性和改進的機械特性。在各種MM 3D打印技術中，基于MM的DLP因其與多種材料的兼容性以及快速生產(chǎn)高分辨率結構的能力而脫穎而出。此外，它還具有異質(zhì)樹脂材料之間具有優(yōu)異的界面相容性的優(yōu)勢。然而，與其他打印方法（例如擠出式打印機）相比，基于 MM 的 DLP 打印需要更復雜的設備。這種復雜性對于在不同的液態(tài)樹脂之間交替使用時實現(xiàn)精確的材料梯度是必要的，其中生坯被反復浸入其中。
DLP 3D打印中的功能材料創(chuàng)新及應用
功能材料的集成對于推進DLP技術并擴大其在各個行業(yè)的應用至關重要。當與3D打印實現(xiàn)的獨特架構相結合時，具有多種刺激響應能力的功能材料可以通過材料特性和形狀的實時變化顯著擴大應用范圍。功能材料的代表性例子包括壓電材料、形狀記憶合金和聚合物、熱致變色和電致變色材料、磁電材料、自修復材料和水凝膠。
DLP 3D打印在壓電陶瓷及復合材料中的應用
壓電材料分為聚合物、陶瓷、陶瓷復合材料三類，可實現(xiàn)“機械能-電能”轉(zhuǎn)換，廣泛用于換能器、傳感器等領域。目前DLP打印壓電聚合物（如 PVDF）案例較少，陶瓷（如BaTiO₃、KNN、PZT）雖有SLA/DLP技術研究，但面臨陶瓷懸浮液粘度高、光散射導致固化深度降低，且3D打印陶瓷的密度、壓電性能不及傳統(tǒng)方法等挑戰(zhàn)。
通過陶瓷顆粒表面功能化（如PZT用TMSPM修飾）、優(yōu)化分散劑（如確定PZT懸浮液中BYK142最佳含量）與單體（如ACMO提升BaTiO₃含量至80wt%），改善懸浮液流變與固化性能；后處理需脫脂（避免結構坍塌）和燒結（應對收縮）。最終產(chǎn)品可用于柔性觸覺傳感器、超聲換能器等，如3D打印PMN-PZT復合結構作觸覺傳感器，BaTiO₃陶瓷用于超聲成像。
基于DLP的4D打印各種智能材料
基于DLP的4D打印，核心是多種智能材料的應用與技術探索，涉及形狀記憶聚合物（SMPs）、形狀記憶聚合物復合材料（SMPCs）、液晶彈性體（LCEs）及響應型水凝膠等。
SMPs以熱能驅(qū)動，需滿足機械穩(wěn)健、紫外可固化等要求，如Merckle團隊的硫醇烯聚酯樹脂彈性模量超600MPa，Zhang團隊材料形變達1240%且抗疲勞。為實現(xiàn)遠程控制，可添加多壁碳納米管（MWCNT）借焦耳熱變形，或引入金納米顆粒（AuNPs）實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。
DLP 3D 打印的可持續(xù)性與環(huán)境考量
可持續(xù)性和環(huán)境因素在增材制造中至關重要，包括數(shù)字光處理3D打印，核心是解決傳統(tǒng)光聚合樹脂（多源于化石燃料）碳足跡高、不可回收降解的問題，主要有兩大應對方向。
一是開發(fā)可回收樹脂，通過溶解線性聚合物（如IBOA）將打印件轉(zhuǎn)化為液態(tài)樹脂復用；利用動態(tài)共價鍵（氫鍵、離子鍵、受阻脲鍵）或vitrimer的熱激活鍵交換反應，實現(xiàn)樹脂回收再打印，Dove團隊還開發(fā)出光響應應變環(huán)二硫化物樹脂，實現(xiàn)完全閉環(huán)回收。二是探索可再生材料，如基于植物油脂或香草醛甲基丙烯酸酯功能化Jeffamines的生物基樹脂，兼具力學性能與環(huán)保性。
織雀®系列 超高精度3D光刻設備
托托科技推出的「織雀®系列超高精度3D光刻設備」在復雜三維、高深寬比以及復合材料三維微納結構制造方面具有突出的潛能和優(yōu)勢，設備光學精度高達1μm，最大加工尺寸為50mm×50mm×50mm，打印材料兼容常規(guī)樹脂、陶瓷及水凝膠類墨水體系。設備擁有駁接打印技術，可對已有結構的樣品表面進行二次或多次打印，助力科研與產(chǎn)業(yè)在微納加工領域?qū)崿F(xiàn)更高度的設計自由與創(chuàng)新突破。
從基礎的光固化原理到多材料集成、功能材料創(chuàng)新，DLP 3D打印技術正不斷拓展其能力邊界。隨著材料體系的豐富與設備精度的提升，DLP技術不僅在微納制造、生物醫(yī)療、柔性電子等前沿領域展現(xiàn)出巨大潛力，也為制造業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了新的可能。未來，DLP 3D打印有望在個性化制造、智能器件與可持續(xù)發(fā)展之間建立起更緊密的橋梁，持續(xù)推動制造范式的革新。
原文出處：Advances in materials and technologies for digital light processing 3D printing
3D打印技術分類
根據(jù)ISO/ASTM 52900:2015標準，3D打印可劃分為七大類，具體包括：粉末床熔融（DMLS）、材料擠出（FDM）、材料噴射（MJ）、槽式光聚合（SLS）、粘結劑噴射（BJ）、薄片層壓（LOM）以及直接能量沉積（LENS）。
3D打印技術分類示意圖
其中，槽式光聚合技術的核心原理的是：通過光源照射，固化槽體內(nèi)盛放的液體樹脂，進而觸發(fā)光聚合反應。在該技術類別下，立體光刻（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）及掩膜立體光刻（LCD）是目前應用最廣泛的代表性3D打印工藝。DLP 3D打印技術簡介
數(shù)字光處理（DLP）是一種基于投影的桶光聚合3D打印技術，因其高分辨率和準確性而受到越來越多的關注。
對于DLP技術，用戶會將待打印的三維計算機輔助設計結構切片成薄層，并將這組層圖像輸入打印機。每一層圖像都作為灰度掩模，用于選擇性地固化樹脂。由于采用逐層打印技術，與SLA型打印機的逐點固化方式相比，DLP三維打印具有更快的打印速度。
DLP打印設備結構（左）及工藝的分步流程（右）示意圖
用于多材料3D打印的DLP技術
在增材制造中，多材料（MM）打印能夠制造出具有幾何形狀和不同性能的復雜復合材料，提供功能性、環(huán)境適應性和改進的機械特性。在各種MM 3D打印技術中，基于MM的DLP因其與多種材料的兼容性以及快速生產(chǎn)高分辨率結構的能力而脫穎而出。此外，它還具有異質(zhì)樹脂材料之間具有優(yōu)異的界面相容性的優(yōu)勢。然而，與其他打印方法（例如擠出式打印機）相比，基于 MM 的 DLP 打印需要更復雜的設備。這種復雜性對于在不同的液態(tài)樹脂之間交替使用時實現(xiàn)精確的材料梯度是必要的，其中生坯被反復浸入其中。
用于MM 3D打印的DLP技術。MM-PμSL與（a）鑄帶工藝的刮刀集成在一起。MM-PμSL與（b）動態(tài)流體控制系統(tǒng)集成。（c）SMaLL技術示意圖。（d）雙驅(qū)動形狀記憶復合材料（SMC）及其功能。（e）用于顏色圖案調(diào)制的光響應人工色素細胞（LAC）。（f）（i）3D圖案導電和介電結構的制造以及（ii）選擇性銅鍍結果。
DLP 3D打印中的功能材料創(chuàng)新及應用
功能材料的集成對于推進DLP技術并擴大其在各個行業(yè)的應用至關重要。當與3D打印實現(xiàn)的獨特架構相結合時，具有多種刺激響應能力的功能材料可以通過材料特性和形狀的實時變化顯著擴大應用范圍。功能材料的代表性例子包括壓電材料、形狀記憶合金和聚合物、熱致變色和電致變色材料、磁電材料、自修復材料和水凝膠。
DLP 3D打印在壓電陶瓷及復合材料中的應用
壓電材料分為聚合物、陶瓷、陶瓷復合材料三類，可實現(xiàn)“機械能-電能”轉(zhuǎn)換，廣泛用于換能器、傳感器等領域。目前DLP打印壓電聚合物（如 PVDF）案例較少，陶瓷（如BaTiO₃、KNN、PZT）雖有SLA/DLP技術研究，但面臨陶瓷懸浮液粘度高、光散射導致固化深度降低，且3D打印陶瓷的密度、壓電性能不及傳統(tǒng)方法等挑戰(zhàn)。
含壓電材料的數(shù)字光處理3D打印及應用。（a）用3-(三甲氧基硅基)丙基甲基丙烯酸酯（TMSPM）對鋯鈦酸鉛（PZT）納米顆粒進行表面功能化以提升分散性和壓電性能的過程。（b）分散劑對PZT陶瓷懸浮液的影響。（c）3D打印陶瓷結構需經(jīng)脫脂和燒結的后處理步驟。（d）無鉛壓電陶瓷KNN 3D打印生坯的兩步脫脂溫度曲線及脫脂后KNN結構的光學圖像。（e）3D打印壓電陶瓷復合材料作為具有負泊松比超結構的柔性傳感器。（f）3D 打印鈦酸鋇（BaTiO₃）陶瓷架構作為壓電元件用于能量聚焦和超聲傳感。
通過陶瓷顆粒表面功能化（如PZT用TMSPM修飾）、優(yōu)化分散劑（如確定PZT懸浮液中BYK142最佳含量）與單體（如ACMO提升BaTiO₃含量至80wt%），改善懸浮液流變與固化性能；后處理需脫脂（避免結構坍塌）和燒結（應對收縮）。最終產(chǎn)品可用于柔性觸覺傳感器、超聲換能器等，如3D打印PMN-PZT復合結構作觸覺傳感器，BaTiO₃陶瓷用于超聲成像。
基于DLP的4D打印各種智能材料
基于DLP的4D打印，核心是多種智能材料的應用與技術探索，涉及形狀記憶聚合物（SMPs）、形狀記憶聚合物復合材料（SMPCs）、液晶彈性體（LCEs）及響應型水凝膠等。
SMPs以熱能驅(qū)動，需滿足機械穩(wěn)健、紫外可固化等要求，如Merckle團隊的硫醇烯聚酯樹脂彈性模量超600MPa，Zhang團隊材料形變達1240%且抗疲勞。為實現(xiàn)遠程控制，可添加多壁碳納米管（MWCNT）借焦耳熱變形，或引入金納米顆粒（AuNPs）實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。
DLP 3D打印實現(xiàn)的4D打印示例。（a）智能桌子被編程成2D緊湊的形狀，可以通過高度可變形的SMP支撐重載。（b）使用定制的熱機械行為進行遠程電激活形狀恢復：（i）由直接加熱和焦耳加熱觸發(fā)的形狀恢復，以及（ii）焦耳加熱隨時間變化觸發(fā)的形狀恢復。（c）受章魚啟發(fā)的DLP打印的類似夾持器的多響應執(zhí)行器。（d）基于光交聯(lián)烷氧胺物質(zhì)的油墨配方示意圖;通過氮氧化物介導的聚合（NMP）和氮氧化物交換反應（NER）對印刷結構進行多路改性。
此外，探索受光、磁等刺激響應，如用光響應有機染料、磁響應材料實現(xiàn)多變形模式，也可通過動態(tài)化學調(diào)節(jié)材料剛度。DLP可整合有機與無機材料，但需解決無機材料光傳播、有機材料干擾光聚合等問題，灰度DLP還能助力4D打印結構形狀控制。DLP 3D 打印的可持續(xù)性與環(huán)境考量
可持續(xù)性和環(huán)境因素在增材制造中至關重要，包括數(shù)字光處理3D打印，核心是解決傳統(tǒng)光聚合樹脂（多源于化石燃料）碳足跡高、不可回收降解的問題，主要有兩大應對方向。
一是開發(fā)可回收樹脂，通過溶解線性聚合物（如IBOA）將打印件轉(zhuǎn)化為液態(tài)樹脂復用；利用動態(tài)共價鍵（氫鍵、離子鍵、受阻脲鍵）或vitrimer的熱激活鍵交換反應，實現(xiàn)樹脂回收再打印，Dove團隊還開發(fā)出光響應應變環(huán)二硫化物樹脂，實現(xiàn)完全閉環(huán)回收。二是探索可再生材料，如基于植物油脂或香草醛甲基丙烯酸酯功能化Jeffamines的生物基樹脂，兼具力學性能與環(huán)保性。
可回收DLP 3D打印研究方案。（a）DLP 3D打印的環(huán)境可持續(xù)解決方案。（b）3D打印材料的回收循環(huán)見（i）。原始產(chǎn)品和回收產(chǎn)品之間的機械和熱性能比較，（ii）和（iii）。（c）（i）紫外線固化溶液配方和（ii）回收基于酯交換的玻璃三聚體的工藝。（d）利用光反應應變環(huán)二硫化物進行光介導的交聯(lián)和去交聯(lián)，實現(xiàn)全閉環(huán)回收系統(tǒng)。
目前此類方向的研究仍面臨挑戰(zhàn)，如部分回收樹脂性能不及原始材料、生物基材料選擇有限，需進一步優(yōu)化樹脂配方與設備。織雀®系列 超高精度3D光刻設備
從基礎的光固化原理到多材料集成、功能材料創(chuàng)新，DLP 3D打印技術正不斷拓展其能力邊界。隨著材料體系的豐富與設備精度的提升，DLP技術不僅在微納制造、生物醫(yī)療、柔性電子等前沿領域展現(xiàn)出巨大潛力，也為制造業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了新的可能。未來，DLP 3D打印有望在個性化制造、智能器件與可持續(xù)發(fā)展之間建立起更緊密的橋梁，持續(xù)推動制造范式的革新。
原文出處：Advances in materials and technologies for digital light processing 3D printing
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