研究人員開發(fā)一種雙波長樹脂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3D打印可降解支撐結(jié)構(gòu)，無需手動(dòng)拆除

2025年7月8日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室與加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員開發(fā)了一種用于數(shù)字光處理（DLP）3D 打印的雙波長樹脂系統(tǒng)。這項(xiàng)研究展示了一種創(chuàng)新的“一鍋法”樹脂配方，它能夠同時(shí)打印出永久性結(jié)構(gòu)和可降解支撐。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于無需更換樹脂或進(jìn)行手動(dòng)支撐移除，這大大簡化了打印過程。

△通過雙波長負(fù)片成像(DWNI)對(duì)無支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行增材制造，無需手動(dòng)去除支撐，同時(shí)保持打印保真度和結(jié)構(gòu)完整性

針對(duì)無支撐幾何形狀的單一解決方案

在3D打印中，無支撐結(jié)構(gòu)如懸垂、橋梁和自由浮動(dòng)元素通常需要額外的支撐結(jié)構(gòu)，這些支撐通常使用相同的材料打印，并且需要手動(dòng)移除。這個(gè)過程不僅可能會(huì)損壞部件，還限制了設(shè)計(jì)的自由度。為了克服這些難題，研究人員開發(fā)了一種單樹脂系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠響應(yīng)兩種不同波長的光：紫外線（365 nm）和可見光（405 nm）。紫外線用于固化環(huán)氧樹脂，形成最終的永久性結(jié)構(gòu)；而可見光則用于固化（甲基）丙烯酸酯，形成可降解的支撐結(jié)構(gòu)。在打印和熱后處理完成后，支撐結(jié)構(gòu)可以通過在堿性水溶液中降解的方式去除，確保了原始結(jié)構(gòu)的完整性。

△相關(guān)研究已發(fā)表在《ACS Central Science》期刊上，題目為“可降解熱固性材料支撐體的雙波長同步圖案化，用于一鍋嵌入式3D打印”（傳送門）

定制雙波長DLP打印機(jī)

這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步的核心在于合著者Bryan Moran開發(fā)的專利雙波長負(fù)像（DWNI）DLP打印機(jī)。這種打印機(jī)僅使用一個(gè)數(shù)字微鏡裝置（DMD）即可同時(shí)投射紫外光和可見光。通過精確控制微鏡的傾斜角度，系統(tǒng)能夠選擇性地將不同波長的光投射到每個(gè)像素上，實(shí)現(xiàn)了在同一層上對(duì)兩種材料進(jìn)行圖案化，避免了光學(xué)重疊的問題。

相較于傳統(tǒng)的順序雙波長系統(tǒng)，這種配置能夠?qū)⒋蛴�時(shí)間縮短多達(dá)50%，同時(shí)消除了在多個(gè)DMD之間進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的需求。此外，它還能夠同時(shí)曝光結(jié)構(gòu)區(qū)域和支撐區(qū)域，從而顯著提升了打印的分辨率。

△雙波長負(fù)像和圖案圖像

優(yōu)化樹脂化學(xué)和打印性能

新樹脂配方融合了環(huán)氧單體（賦予結(jié)構(gòu)剛性）與甲基丙烯酸化癸二酸（MSA，用于形成可降解的支撐）。實(shí)時(shí)傅立葉變換紅外光譜（FTIR）分析確認(rèn)，可見光選擇性地聚合了(甲基)丙烯酸酯網(wǎng)絡(luò)，而紫外光則觸發(fā)了陽離子和自由基聚合反應(yīng)，生成了堅(jiān)固的環(huán)氧基質(zhì)。

通過熱后處理，環(huán)氧樹脂的轉(zhuǎn)化率得到了提升�；�底的降解過程有效移除了犧牲結(jié)構(gòu)，且未對(duì)主要部件造成損害。盡管降解后交聯(lián)密度下降了35%，機(jī)械性能測(cè)試顯示，以環(huán)氧樹脂為主的最終部件仍然保持了較高的模量。

△打印的結(jié)構(gòu)中，永久性特征用藍(lán)色表示，可降解特征用粉色表示

具有可溶解支撐的復(fù)雜幾何形狀

研究人員為了驗(yàn)證這種方法的性能，設(shè)計(jì)并打印了多個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如互鎖環(huán)、籠中球以及包裹兩個(gè)球體的螺旋結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)中的可降解支撐在打印過程中提供了必要的穩(wěn)定性，且在固化后可以輕松移除。

采用雙波長技術(shù)不僅提升了形狀保真度，還改善了表面光潔度。即使在支撐結(jié)構(gòu)降解后，表面粗糙度依然保持在較低水平。分辨率測(cè)試進(jìn)一步證明了該方法的精確性和有效性。

總的來說，這項(xiàng)光聚合技術(shù)的最新創(chuàng)新，通過波長選擇性樹脂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了支撐結(jié)構(gòu)的自動(dòng)降解與去除，無需更換樹脂或手動(dòng)拆除支撐，大大簡化了3D打印過程。該方法能夠直接打印復(fù)雜的無支撐幾何結(jié)構(gòu)，為自由形態(tài)增材制造帶來了新的可能性。尤其在生物醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)和航空航天等對(duì)內(nèi)部特征和精密結(jié)構(gòu)有較高要求的領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。