2020年9月17日，中科院化学所宋延林研究员、吴磊副研究员团队在《Nature Communications》发表题为Continuous 3D printing from one single droplet的研究论文，提出了一种单墨滴3D打印策略，利用界面操作方法可制备出具有可控形貌的精细3D结构，实现了一滴成型，提高了打印过程的稳定性。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18518-1

 研究简介 

3D打印可直接将计算机辅助设计转变为复杂的立体结构，无需传统制备方法中所需的模具或光刻掩膜，已在快速成型制造和灵活生产中展现出巨大的前景。相比于基于挤出的3D打印方法，譬如熔融沉积技术（FDM）及直写成型技术（DIW），基于光固化的3D打印技术材料利用率较低；并且在连续打印过程中，液体树脂不可避免地会附着在固化结构表面，造成打印结构的尺寸误差；同时，由于光散射的存在，导致非图案区中的树脂发生额外的固化。以上因素不仅会造成材料的大量浪费，还降低了连续打印过程中的稳定性及分辨率。

该团队提出了一种单墨滴3D打印策略，利用界面操作方法可制备出具有可控形貌的精细3D结构，实现了一滴成型，提高了打印过程的稳定性。基于低粘附界面上三相接触线（TCL）的退浸润行为，他们在3D打印体系中引入具有低液体树脂粘附及低固化树脂粘附的光固化界面，极大地降低了液体树脂在固化结构表面的残留，同时增加了固液界面的自由度及液滴内部的流动，抑制了XY平面非光源图案区的过度固化，进而显著提高了连续高速打印过程中的稳定性及精度。

图1 单墨滴3D打印过程的机理及光学图像

图2 光固化界面性质对单墨滴3D打印的影响及墨滴尺寸和UV图案参数对单墨滴3D打印材料利用率的影响

 研究结论 

光固化界面的界面性质对于单墨滴打印至关重要，这有利于单墨滴TCL的连续收缩，实现高材料利用率的3D打印。为了研究具有不同界面性质的基底对单墨滴打印过程的影响，他们选择了三种不同结构的低粘附基底：光滑的氟化石英基底、具有微纳复合结构的超双疏基底及润滑基底来进行研究。在光滑的氟化石英基底上，单墨滴TCL可发生回缩，但由于基底粘附，单墨滴3D打印无法实现；在具有微纳复合结构的超双疏基底及润滑基底上，可以发生连续固化实现打印。但由于超双疏界面的低粘附性是基于其表面的微纳结构所捕获的空气层，该复合液-气-固界面使墨滴的TCL变形，导致打印结构具有竖直条纹；在润滑表面可以实现连续、稳定的固化，且打印结构具有光滑侧壁。他们发现，液体树脂与固化树脂间的粘附（γ1）、固化树脂与固化界面的粘附（γ2）及液体树脂与固化界面之间的粘附（γ3）只有同时满足γ1>γ3、γ3>γ2这两个条件，才能实现单墨滴3D连续打印，这为单墨滴3D打印的普适性奠定了基础。在此基础上，他们发现随液滴质量的增加，单墨滴材料利用率降低；随着UV投影面积的增加，单墨滴材料利用率增加；随着树脂的三维分布增大或长宽比的增大，单墨滴材料利用率降低，因此可通过以上因素调控单墨滴打印的净利用率，实现按需、一滴成型的个性化制备。