新型波長選擇固化技術(shù)！支持快速、高分辨率3D打印

來源：EFL生物3D打印與生物制造

自然界中的結(jié)構(gòu)多由硬材料和軟材料以精確的三維排列組合而成，這種組合賦予了材料獨(dú)特的性能和功能，而合成材料難以模仿。因此，仿生類似物對硬材料與軟界面無縫連接的需求，推動了對創(chuàng)新化學(xué)和制造方法的需求。當(dāng)前多材料3D打印面臨諸多挑戰(zhàn)，如生產(chǎn)速度慢、產(chǎn)品不穩(wěn)定或機(jī)械性能弱等，且沒有一種策略能滿足所有關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Zachariah A. Page教授團(tuán)隊合作開發(fā)了一種混合環(huán)氧-丙烯酸酯樹脂，用于波長選擇性多材料3D打印，實現(xiàn)了快速、高分辨率的數(shù)字光處理3D打印，所打印的多材料物體具有強(qiáng)度、彈性和耐老化性的獨(dú)特組合。相關(guān)工作以“Hybrid epoxy–acrylate resins for wavelength-selective multimaterial 3D printing”為題發(fā)表在《Nature Materials》上。

本研究對比了灰度打印、混合樹脂多色打印等傳統(tǒng)方法與現(xiàn)有技術(shù)，系統(tǒng)分析了多材料3D打印策略的差異。研究結(jié)果顯示：傳統(tǒng)方法存在未反應(yīng)單體殘留、收縮應(yīng)力等固有缺陷，而當(dāng)前采用混合環(huán)氧-丙烯酸酯樹脂的多色打印技術(shù)，不僅實現(xiàn)了材料間的共價鍵結(jié)合與大跨度機(jī)械性能調(diào)控，還兼具高打印速率優(yōu)勢，且經(jīng)檢測無明顯單體殘留問題。該技術(shù)通過材料體系創(chuàng)新，有效解決了傳統(tǒng)工藝的痛點(diǎn)，為多材料3D打印領(lǐng)域提供了更優(yōu)的技術(shù)路徑。

圖 1. 多材料3D打印策略對比

通過對樹脂組分的分析及實時傅里葉變換紅外光譜等方法，研究了樹脂在不同波長光照射下的固化行為。結(jié)果表明，優(yōu)化后的樹脂在365nm和405nm光照射下能快速聚合，且光系統(tǒng)在紫外光下選擇性引發(fā)環(huán)氧聚合，驗證了其適用于DLP 3D打印。

圖 2. 樹脂組分與波長選擇性固化用于多材料制造

通過對不同光固化的測試棒進(jìn)行拉伸、循環(huán)拉伸等試驗，研究了其機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明，紫外光固化樣品堅硬強(qiáng)韌，紫光固化樣品柔軟可延展，且紫光固化樣品經(jīng)丙酮洗滌后光穩(wěn)定性好、彈性高。

圖 3. 顏色控制的DLP 3D打印及測試棒的熱機(jī)械表征

通過光學(xué)顯微鏡、拉伸測試和納米壓痕等方法，研究了多材料打印的分辨率和界面機(jī)械性能。結(jié)果表明，能實現(xiàn)約200μm的機(jī)械梯度分辨率，且通過灰度控制紫外和紫光曝光，可模仿自然結(jié)構(gòu)的剛度梯度。  

圖 4. 3D打印多材料物體的分辨率和機(jī)械表征

通過制造硬彈簧嵌入軟圓柱和膝關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)，研究了多材料3D打印在生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。結(jié)果表明，該方法能創(chuàng)造具有可調(diào)壓縮阻尼和光滑關(guān)節(jié)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了對整體力學(xué)的精確控制。

圖 5. 生物啟發(fā)的機(jī)械超材料的多材料3D打印

通過有限元分析和數(shù)字圖像相關(guān)等方法，研究了多材料試樣的局部變形和可拉伸電子設(shè)備性能。結(jié)果表明，利用剛度對比可控制局部變形，且剛度高的插入物能在拉伸時保持電子設(shè)備功能。

圖 6. 多材料拉伸試樣的局部變形及在可拉伸電子設(shè)備中的應(yīng)用

研究結(jié)論
本研究展示了一種快速、高分辨率的波長選擇性3D打印方法，用于制造具有極大機(jī)械差異的多材料結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了生物啟發(fā)模型和可拉伸電子設(shè)備的制備。通過創(chuàng)建包含高效光系統(tǒng)的混合環(huán)氧-丙烯酸酯樹脂，以選擇性觸發(fā)陽離子和自由基聚合，本研究實現(xiàn)了高達(dá)1.5毫米/分鐘的快速打印，并獲得了約200微米的高保真多材料物體。這些結(jié)構(gòu)具有約3000倍的彈性模量差異、高強(qiáng)度（約69兆帕）、可拉伸性（斷裂應(yīng)變>250%）、彈性（90%恢復(fù)率，滯后損失<4%），以及在高強(qiáng)度紫外線暴露和超過100°C溫度下的穩(wěn)定性�；叶榷嗌�投影可精確控制軟硬界面的剛度梯度，模仿0.2至10毫米的自然過渡。該平臺為機(jī)械超材料的制造開辟了新領(lǐng)域，為彌合理論預(yù)測與實際應(yīng)用之間的差距提供了實驗基礎(chǔ)。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02249-z