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一鍋雙料,國外團隊開發(fā)出利用單一樹脂實現(xiàn)雙材料3D打印的突破性技術(shù)

時間:2025-06-24 09:23 來源:南極熊 作者:admin 閱讀:
      導(dǎo)讀:在3D打印領(lǐng)域,一項突破性技術(shù)再次拓寬了光固化增材制造的邊界。在生活中,一鍋大亂燉讓準(zhǔn)備飯菜變得快捷方便,而這種”一鍋煮“的模式也能為3D打印帶來同樣的效果。
    2025年6月23日,近日發(fā)表在《ACS Central Science》期刊上的一項題為“Dual-Wavelength Simultaneous Patterning of Degradable ThermosetSupports for One-Pot Embedded 3D Printing”的研究引起了業(yè)界的關(guān)注:研究人員開發(fā)出一種基于“雙波長同步成像”的大桶光聚合(Vat Photopolymerization,VP)技術(shù),首次實現(xiàn)在“單一樹脂”體系內(nèi)打印出永久性結(jié)構(gòu)與可降解支撐雙材料物體。

 

 

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.5c00337

 

這項技術(shù)被稱為“一鍋法”(one-pot)3D打印解決方案,可以簡化復(fù)雜3D打印物品(包括組織工程支架和機械部件)的生產(chǎn)。憑借高集成度、低后處理負擔(dān)以及出色的打印精度等優(yōu)勢,這項技術(shù)有望在生物醫(yī)學(xué)、航天工程和復(fù)雜微結(jié)構(gòu)制造等領(lǐng)域掀起新一輪技術(shù)革命。

 

 

一鍋打印雙材料:告別樹脂更換的新路徑

 

傳統(tǒng)的光聚合類3D打印(如SLA/DLP)在打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如懸臂、互鎖件)時,必須依賴支撐結(jié)構(gòu)來維持構(gòu)建過程中的幾何穩(wěn)定。然而,這些支撐結(jié)構(gòu)通常與主體材料相同,后處理需要機械方式拆除,不僅耗費人力、影響表面質(zhì)量,甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。

 

為解決這一問題,研究團隊(包括美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校)創(chuàng)造性地開發(fā)出一款“一鍋雙網(wǎng)絡(luò)”樹脂系統(tǒng)。這種樹脂包含兩種主要單體網(wǎng)絡(luò):
  • 可降解的熱固性網(wǎng)絡(luò):由光照405 nm(可見光)時發(fā)生自由基聚合形成;

  • 永久性的環(huán)氧網(wǎng)絡(luò):由光照365 nm(紫外光)時觸發(fā)陽離子聚合構(gòu)建。

 

雙波長樹脂在一個鍋中同時將自由基和陽離子網(wǎng)絡(luò)融合在一起,包括每個反應(yīng)的光啟動器,交叉鏈接和聯(lián)合工具。

 

通過調(diào)整不同波長光的照射區(qū)域,科研人員可以在同一層中同時打印出可降解支撐結(jié)構(gòu)和永久功能部件。這種方法無需更換樹脂、無須物理切換噴頭或平臺,極大提升了打印效率與幾何自由度。
定制化光路系統(tǒng):雙波長負像DLP打印機
為了實現(xiàn)波長選擇性打印,團隊構(gòu)建了一臺定制化“雙波長負像成像(DWNI)”DLP打印設(shè)備。該系統(tǒng)通過單一數(shù)字微鏡裝置(DMD)控制兩個不同波長(405 nm與365 nm)的光源,實現(xiàn)同層不同區(qū)域光化學(xué)選擇性激發(fā)。技術(shù)核心在于:
  • 單DMD投影雙波長圖像,避免兩個光源錯位;

  • 負像成像原理,同一鏡面角度下兩波長互為鏡像,“黑區(qū)為支撐,白區(qū)為結(jié)構(gòu)”;

  • 同步投影大幅降低打印時間——理論上比傳統(tǒng)雙步打印快50%。

 

(a)雙波長負成像(DWNI)DLP打印機可以獨立控制數(shù)字微龍設(shè)備(DMD)中的鏡子。通過切換鏡面角,可以將不同的光波長投射到同一層的不同像素上。(b)將2D黑色/白色圖像上傳到DMD,以對每一層進行模式。黑色區(qū)域充滿了405 nm的光線,白色區(qū)域充滿了365 nm的光。每個波長可以同時獨立地投射。

 

這一光學(xué)系統(tǒng)可謂是硬件設(shè)計與樹脂配方協(xié)同創(chuàng)新的典范,為多材料打印設(shè)備的輕量化、低成本化提供了全新方向。
材料配方突破:性能與綠色制造兼顧
      在樹脂系統(tǒng)方面,研究人員精心篩選光引發(fā)劑、交聯(lián)劑和輔助單體,構(gòu)建出雙功能配方。可降解網(wǎng)絡(luò)采用甲基丙烯酸酯與琥珀酸交聯(lián)體系,不僅具備快速光聚性,還可在堿性溶液中快速降解。永久網(wǎng)絡(luò)基于環(huán)氧單體與催化劑配合體系,經(jīng)紫外照射后能形成高交聯(lián)度、耐熱耐水解的結(jié)構(gòu)。通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)與動態(tài)力學(xué)分析(DMA)驗證,最終材料具備良好的機械性能(如在200℃下橡膠模量為2.69×10⁷ Pa),且熱后處理不會破壞其分相結(jié)構(gòu)。同時,支撐部分在5 M NaOH溶液中15分鐘內(nèi)可完全溶解,且降解產(chǎn)物為無毒成分,如己二酸等。這種綠色可降解特性,也為該材料在醫(yī)療器械和組織工程方向的應(yīng)用打開了想象空間。
      研究人員通過創(chuàng)建越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)(包括棋盤格圖案、互鎖環(huán)和籠中球設(shè)計)來展示他們的技術(shù)。這些結(jié)構(gòu)原本依賴“先打主結(jié)構(gòu)、后手動拆支撐”的繁瑣工藝,如今借助DWNI系統(tǒng)與雙材料一鍋樹脂得以自動化成形與解耦,大幅度釋放了3D打印自由度,展示了創(chuàng)建傳統(tǒng)3D打印方法難以制造的復(fù)雜物體的潛力。

 

△像這條鏈條這樣復(fù)雜的多部分物體,可以通過一種新的桶式聚合技術(shù)一次性 3D 打印出來。(圖片來源:ACS Central Science)

 

       最終,研究的通訊作者之一馬克西姆·舒斯特夫(Maxim Shusteff)表示:“光聚合技術(shù)以其快速和高分辨率的打印而聞名,但打印后最令人頭疼的部分之一,是手動移除復(fù)雜的互鎖和懸垂結(jié)構(gòu)的支撐。我們非常高興能夠用簡單的化學(xué)方法解決這個問題。”本研究由美國能源部、加州大學(xué)實驗室研究費用駐留研究生獎學(xué)金以及勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的勞倫斯博士后獎學(xué)金資助。


 

(責(zé)任編輯:admin)

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