增材制造技術的出現，如立體光刻法3D打印技術將設計師大腦中的一切創意設計，立刻展現為現實，比以前無法實現的創意概念實現了巨大的飛越。光固化3D打印技術使用紫外光對薄層液態光敏樹脂照射堆疊成型，含有光引發的熱固性液態樹脂在紫外光照射下發生層與層之間的交聯反應，因此，與反應動力學相關的打印參數設置，如切片層厚、單層打印時間和紫外燈源光強等都將影響制品打印效果與質量，調試過程較二維印刷更為費時費力，易造成材料的浪費。相比較于內置打印預覽功能的二維打印編輯軟件如OFFICE系列、刀路預覽功能的線切割加工軟件等，目前增材制造特別是涉及交聯反應的光固化3D打印控制軟件除切片功能外，更需要引入打印預覽功能。一方面幫助用戶預覽打印效果，針對性地對打印參數進行調整；另一方面針對不同光敏樹脂耗材的導入圖形自動設計和推薦打印設置方案，以減少用戶為獲得較好打印制件所需的調試時間。
近日，東華大學纖維材料改性重點國家實驗室游正偉教授團隊基于光固化動力學與反應機理，首次提出一種模擬逐層光固化3D打印的計算方法，使3D打印技術具有類似OFFICE軟件的預覽功能。相關成果 “3D printing preview for stereo-lithography based on photopolymerization kinetic models”（基于光固化動力學模型構建立體光刻法3D打印預覽技術）為題發表于中國科技期刊卓越行動計劃--“高起點新刊”《Bioactive Materials》。東華大學與清華大學聯合培養博士生高奕為該論文第一作者，東華大學材料科學與工程學院管清寶副研究員為通訊作者，游正偉教授為論文的共同作者。
本文以常用齒科光固化材料環氧丙烯酸樹脂為例，結合3D打印層層堆疊機理和光固化交聯動力學原理，模擬制件在不同打印參數設置下各層轉化率分布情況，以展示預覽功能的實現過程（圖1）。
圖1. 光固化3D打印示意圖。
為更準確地模擬不同樹脂打印效果，除文獻提出的默認參考值外，提出一種基于原位紅外光譜與紫外光固化聯用的模擬方法。與統計理論、滲透理論、分子動力學模擬理論等相比，光固化動力學更符合實際3D打印過程，且有較為成熟的交聯反應動力學理論可供參考。將各種質量分數的樹脂-引發劑體系置于不同光強下進行紫外光固化實驗，獲得光固化樹脂3D打印所需技術參數，以此開發模擬軟件（圖2）。
圖 2. (A)光固化反應動力學計算模擬流程圖； (B) 原位紫外光固化-紅外光譜聯用裝置示意圖。
該工作模擬計算涉及逐層光固化交聯反應以及氧阻聚機理，采用不同組分的光固化樹脂與光引發劑對模擬結果進行驗證（圖3）。計算結果表明，固化條件設置對成型速度和質量有著顯著的影響，動態切片以及自適應固化時間可在提升成型質量的同時減少所需時間（圖4）。該工作為通用材料、模型的 3D 打印提供一種預覽方法，可高效優化打印設置。
圖3.不同組分的光固化樹脂與光引發劑的實驗結果與模擬驗證。
圖4.以漢字“華”為例，采用現有3D打印策略與自適應模式動態調整參數后的預覽效果圖。
該工作獲得了國家自然科學基金、上海市“一帶一路”國際聯合實驗室基地建設項目、中央高校基本科研業務費專項資金等項目資助。
Bioactive Materials創刊于2016年9月，首個影響因子8.724，在“Materials Science，Biomaterials”領域排名第二。該刊入選了2019年中國科技期刊卓越行動計劃--“高起點新刊”項目。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.05.006
團隊主頁：http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/main.psp
