3D打印的新方法有望改变对象的生产方式、生产地点和生产人员，以服务于从医疗保健到航空航天等广泛的行业。3D打印工艺的一个重要且不断扩展的类别——有时称为数字光制造——使用投射到液体树脂上的光图案触发液体在规定位置固化，从而形成所需形状的固体结构。最终目标是开发这些工艺，以使用一系列材料，以优异的表面光洁度和适合工业应用的尺寸（可能高达许多厘米）在微观尺度上快速打印特征。然而，实际问题限制了当前处理的速度，并且由于光在液体中的散射、折射和吸收而降低了生成对象的质量。
于此，墨尔本大学David J. Collins和Callum Vidler等人报告了一种可以解决这些问题的3D打印策略。
由称为光致聚合物的材料制成并使用两种主要配置之一的数码光制造打印对象的既定流程。在第一种情况下，通过透明窗口将光图案向上投影到前体液体托盘中，触发窗口正上方的前体液体层的聚合。托盘中的液池不需要深到足以完全包围最终制造的对象。相反，当产生每一层时，打印对象被向上提升，并且液体前体被吸入对象和窗口之间的区域，在该区域将添加下一层。然而，确保前体稳定地流入该区域，以及耗散聚合反应释放的热量和防止打印部件粘附在窗口上仍然具有挑战性。
第二种方法通过照亮前体液体缸的顶面来形成层，并且打印对象逐渐降低到缸中。于此，挑战在于表面张力驱动液体与固体最顶层的复杂相互作用，这有时会使液体表面不均匀。因此，通常需要机械擦拭器将液体均匀地分布在顶层。
光图案触发液体前体固化的快速3D打印方法被称为数字光制造。a，光可以通过托盘底部的窗口投射，在窗口上方形成一个固体层。当生成每一层时，对象都会向上移动。然而，保持前体稳定地流入印刷区会限制速度。b、 或者，将光照射到前体的表面上，打印物体在形成过程中逐渐降低。在打印每一层之前，液体的表面都会用擦拭器抹平，从而限制了印刷速度。c、本文报道了一种称为动态界面印刷（DIP）的方法，其中光被投射到充气管开口端形成的前体的弯月面上，弯月面是液体表面的曲线。空气被加压以稳定弯月面的形状，空气中的声振动刺激桶中的液体稳定地流过弯月面。
该研究通过在管状打印头末端的前体液体的弯月面（液体表面的曲线）上打印来解决这些挑战。在这个过程中，作者称之为动态界面打印（DIP），当打印头从前体缸中向上移动时，光图案向下投影到弯月面上。管被加压以控制弯月面的形状。液体在物体打印部分的固体表面上的重新涂覆是由液体的表面张力驱动的，并且进一步被声振动（管内空气压力的振荡）加速，声振动刺激缸中的液体稳定地流过弯液面。
图|DIP示意图
图|DIP系统的表征
通过这些创新，研究人员报告称，在厘米大小的物体上，线性打印速度高达每秒0.7毫米。为了进行比较，另一种称为大面积快速打印（HARP）的数字光制造工艺首次被报道，其速度高达0.12毫米每秒；目前可用的实现HARP的商用打印机的速度高达0.08 毫米每秒。然而，DIP目前仅限于厘米级物体（打印头直径为5-30mm），而HARP和相关工艺已经达到了数十厘米的打印托盘尺寸。DIP能否实现更大的打印面积还有待观察。如果能够找到在管状打印头之间的间隙中打印材料的方法，使用排列在一起的多个打印头可能会有所帮助。也许可以使用方形或菱形打印头来缩小间隙；也许打印头可以侧向移动以照亮间隙之间的区域。
图|DIP中的声学调制
研究人员DIP可以产生复杂的晶格结构，其特征直径小至约30微米，交织的微流体通道和厘米级凝胶的形状模仿心脏和肾脏。作者还表明，声振动可以减少缸中生物细胞等固体颗粒的沉降。这种抑制沉淀的能力对于通过将细胞悬浮在前体液体中而将打印结构嵌入细胞的应用是有前景的。在不受光散射影响的情况下实现高细胞密度是该领域的一大挑战。作者表明，DIP可以实现每毫升液体720万个细胞的细胞密度，与生物打印的最新技术相当，但仍远低于天然组织的细胞密度。
图|DIP功能
这项工作放大了一个令人兴奋的趋势，即将聚合物及其颗粒的光学和声学操纵结合起来进行3D打印。这些技术可以制造先进的复合材料、电子电路中的组件，甚至包含小芯片阵列（执行更大系统功能子集的微型计算机芯片）的结构。一个值得进一步思考的领域是将纤维整合到打印的光聚合物中以增强强度。期望在物体中需要峰值强度的方向上排列纤维。然而，使用新兴的3D打印方法可能更容易做到这一点，在这种方法中，物体的整个体积一次固化，而不是逐层方法。
作者认为，DIP可以通过增加系统光学特性的数值孔径来产生更小的微尺度特征，这将把投影光聚焦到更紧的点上。然而，增加数值孔径也不可避免地会降低焦深，使在弯曲弯月面上传递聚焦图案变得更加困难。通过使用定制的全息光学器件来改变光的焦平面以匹配弯月面的形状，可能可以克服这一挑战。或者，设计打印头边缘的几何形状或表面特性可以使弯月面更平坦，从而减轻聚焦挑战。
DIP打印头设计还可以提供在加压空气中使用强制对流的机会，以消散弯液面处聚合反应产生的热量。此外，DIP在太空任务或重力低或变化的环境中使用可能很有吸引力，因为弯月面可以通过表面张力和打印头中的气压保持在适当的位置。相比之下，其他3D打印方法需要重力将液体固定到位或创建稳定的气液界面。
随着越来越多的3D打印工艺进入该领域，重要的是不仅要考虑打印材料的速度、物体尺寸和强度等性能指标，还要考虑选择依赖共价键合光聚合物的制造工艺的生命周期影响。这些材料通常比热塑性聚合物更难回收，后者可以被研磨、熔化和再加工。有趣的是，DIP和其他基于光的3D打印工艺是否可以使用现在出现的可回收光聚合物。DIP可以很好地作为一种过程，以确定这一代可回收材料的效用。
参考文献：
1. Vidler, C., Halwes, M., Kolesnik, K. et al. Dynamic interface printing. Nature 634, 1096–1102 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08077-6
2. Rapid 3D-printing method could be used on space missions. Nature 634, 1061-1062 (2024)
https://doi.org/10.1038/d41586-024-03392-4
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