一种用于3D打印水凝胶结构的光固化设备及其制造方法

本发明涉及光固化3d打印，尤其涉及一种基于液体约束的数字光处理工艺(lc-dlp)的技术。

背景技术：

1、水凝胶由于其优异的生物相容性、可调的力学特性等特点，在柔性电子、生物工程中应用十分广泛。尤其是光固化水凝胶，通过数字光处理(dlp)工艺可高分辨率地构建拥有复杂结构的三维模型。在对微组织模型、柔性传感器、微流控芯片等生物器件的制造中拥有明显优势。而在多数光固化水凝胶配方中都含水，这使得在树脂槽中保存的溶液将发生水分蒸发导致溶质析出的问题，在打印过程中的水凝胶样品将发生脱水导致的样品变形的问题，使得水凝胶的打印精度和材料利用效率受到限制。

2、在传统的dlp打印工艺中，需加入过量树脂溶液来覆盖整个树脂槽来完成打印。通过打印平台与离型膜界面间的空间及树脂溶液自身的张力，可为溶液提供一定的约束。利用这一原理所开发的拥有缩小打印平台、无树脂槽结构的“自下而上”dlp设备，可完成对微量树脂溶液进行3d模型制造。然而在使用“自下而上”dlp打印柔性的水凝胶样品时，样品将受到张力及自重的影响而难以成型，需使用屈服应力流体的动态支持，来辅助柔性样品成型。而使用一般的柔性水凝胶所打印的低刚度结构在“自下而上”dlp工艺流程中将难以成型，含水量高的水凝胶样品易发生脱水的现象，并出现严重的形变。

3、在“自下而上”的逐层累积的dlp打印过程中，打印平台将反复的上下移动。随打印平台移动的水凝胶样品将会脱离未固化的溶液并直接暴露于空气中，这将导致在打印过程中，已固化样品将发生脱水，将与后续打印模型发生错位。这使得拥有树脂槽设计的dlp设备在对水凝胶样品的打印中面临诸多困难。

技术实现思路

1、为了解决上述所述的技术问题，本发明提供一种用于3d打印水凝胶结构的光固化设备及其制造方法，提高水凝胶溶液的利用效率并减小打印过程中的样品脱水变形。

2、为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种用于3d打印水凝胶结构的光固化设备，包括

3、打印基底，该基底具备表面改性，该基底用于对水凝胶溶液进行约束；

4、数字光处理(dlp)装置,包括驱动装置、光机及张紧装置，所述驱动装置控制所述光机及张紧装置上下运动；

5、离型膜，用于将水凝胶溶液从打印基底分离，并对其形态进行约束；

6、dlp打印区域由光机、张紧装置与打印基底组成；

7、数字光处理(dlp)装置通过离型膜与打印基底的表面约束光固水凝胶溶液，控制水凝胶溶液的液滴随张紧装置的移动而变形以匹配dlp对打印样件逐层累积的过程。

8、在一较佳实施例中，所述打印基底的表面改性包括亲水处理或疏水处理，以提升水凝胶溶液的利用率。

9、在一较佳实施例中，所述亲水处理通过等离子体处理进行；

10、所述疏水处理通过纳米硅喷剂进行喷涂处理。

11、在一较佳实施例中，所述离型膜通过张紧装置张紧保持平整，离型膜通过张紧装置保持平整，用于控制液体水凝胶溶液的形态。

12、在一较佳实施例中，所述张紧装置将离型膜张紧成中间平整的平面、四周呈17°的倾角的形态。

13、在一较佳实施例中，所述离型膜中间平面为打印区，该打印区进行亲水处理，以提升水凝胶溶液的润湿性；

14、该打印区的亲水处理为使用等离子机进行亲水处理。

15、本发明还提供一种用于3d打印水凝胶结构的制造方法，应用所述的光固化设备；其制造方法包括以下步骤：

16、步骤1、在打印基底上进行表表面改性，使其具备亲水或疏水特性；装配数字光处理(dlp)装置和离型膜；

17、步骤2、打印开启阶段：定量加入水凝胶溶液，所述水凝胶溶液包括柔性水凝胶溶液与硬质水凝胶溶液，按需混合使用；分别将柔性水凝胶溶液与硬质水凝胶溶液按需求加入至打印基底上；将水凝胶溶液分批次添加，并在每次加入新溶液前进行打印基底和离型膜的润湿处理；

18、步骤3、通过数字光处理(dlp)装置逐层曝光固化水凝胶溶液，形成3d结构；

19、步骤4、使用离型膜对固化的液体水凝胶结构进行分离。

20、在一较佳实施例中，步骤3包括如下流程：

21、步骤a、下降阶段：张紧装置下压水凝胶溶液至指定高度，并将过量水凝胶溶液挤出到储液区域中；

22、在首层打印时，下降过程将打印区溶液约束为首层高度的薄层，其余溶液将被挤压至储液区中；下降过程在最后5mm以0.1mm/s的速度下降并等待10s保证溶液流平；在后续打印时，以0.3mm/s的速度下降，以将溶液约束在指定高度上；

23、步骤b、曝光阶段：光机投影模型切片的图案，打印区域的水凝胶溶液发生交联；

24、步骤c、上升阶段：张紧装置以0.3mm/s的速度缓慢抬升1mm，驱使储液区的水凝胶溶液重新润湿离型膜表面；

25、步骤d、打印结束阶段：循环a，b，c这三个步骤直至完成所有模型切片图案的投影，最终抬起张紧装置，完成打印件的制备。

26、在一较佳实施例中，所述张紧装置将离型膜张紧成中间平整的平面、四周呈17°的倾斜面，该储液区设置在四周呈17°的倾斜面上，该打印区设置在中间平整的平面上。

27、在一较佳实施例中，所述柔性水凝胶溶液采用性aam溶液，所述硬质水凝胶溶液采用硬质pegda溶液；柔性aam溶液用于制备微心脏模型和柔性传感器，硬质pegda溶液用于制备微图案和微流控芯片。

28、相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

29、1.通过利用表面改性的基底与液体的表面张力的约束溶液数字光处理工艺(lc-dlp)。“自上而下”的dlp可将少量水凝胶溶液逐层固化累积为可控的3d结构。按需加入所配制的柔性与硬质的水凝胶溶液，使用lc-dlp制造了拥有复杂3d结构的高精度的微组织模型、柔性传感器与微流控芯片，实现了对少量水凝胶溶液的高效利用。

30、2.通过利用表面改性的基底与液体表面张力的约束解决方案，简称lc-dlp工艺，提高水凝胶溶液的利用效率并减小打印过程中的样品脱水变形，提高打印样品的保真度和成功率。

技术特征：

1.一种用于3d打印水凝胶结构的光固化设备，其特征在于：包括

2.根据权利要求1所述的一种用于3d打印水凝胶结构的光固化设备，其特征在于：所述打印基底的表面改性包括亲水处理或疏水处理。

3.根据权利要求2所述的一种用于3d打印水凝胶结构的光固化设备，其特征在于：所述亲水处理通过等离子体处理进行；

4.根据权利要求1所述的一种用于3d打印水凝胶结构的光固化设备，其特征在于：所述离型膜通过张紧装置张紧保持平整。

5.根据权利要求4所述的一种用于3d打印水凝胶结构的光固化设备，其特征在于：所述张紧装置将离型膜张紧成中间平整的平面、四周呈17°的倾角的形态。

6.根据权利要求5所述的一种用于3d打印水凝胶结构的光固化设备，其特征在于：所述离型膜中间平面为打印区，该打印区进行亲水处理；

7.一种用于3d打印水凝胶结构的制造方法，其特征在于：应用权利要求1-6中任一项所述的光固化设备；其制造方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种用于3d打印水凝胶结构的制造方法，其特征在于：步骤3包括如下流程：

9.根据权利要求8所述的一种用于3d打印水凝胶结构的制造方法，其特征在于：所述张紧装置将离型膜张紧成中间平整的平面、四周呈17°的倾斜面，该储液区设置在四周呈17°的倾斜面上，该打印区设置在中间平整的平面上。

10.根据权利要求7所述的一种用于3d打印水凝胶结构的制造方法，其特征在于：所述柔性水凝胶溶液采用性aam溶液，所述硬质水凝胶溶液采用硬质pegda溶液。

技术总结
本发明提供一种用于3D打印水凝胶结构的光固化设备包括打印基底，该基底具备表面改性，该基底用于对水凝胶溶液进行约束；数字光处理(DLP)装置,包括驱动装置、光机及张紧装置，所述驱动装置控制所述光机及张紧装置上下运动；离型膜，用于将水凝胶溶液从打印基底分离，并对其形态进行约束；DLP打印区域由光机、张紧装置与打印基底组成；数字光处理(DLP)装置通过离型膜与打印基底的表面约束光固水凝胶溶液，控制水凝胶溶液的液滴随张紧装置的移动而变形以匹配DLP对打印样件逐层累积的过程；基于光固化设备的制造方法，通过控制水凝胶溶液在打印基底上的形态，逐层固化形成高精度3D水凝胶结构。

技术研发人员：孙道恒,方灏航,许丰,陈松月
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/12