Nature子刊：弗萊堡大學工程師開發(fā)出嵌入式擠壓和體積固化的單步多材料3D打印

2025年7月25日，南極熊獲悉，弗萊堡大學的研究人員推出了一種體積3D打印工藝，能夠在單個固化步驟中生產復雜的多材料部件和微尺度內部通道。

這項名為“嵌入式擠出-體積打印”（EmVP）的方法已在《自然通訊》上發(fā)表的一篇題為“Additive manufacturing of multi-material and hollow structures byEmbedded Extrusion-Volumetric Printing”的同行評審研究中進行了詳細介紹，它將嵌入式3D打�。‥MB3D）與斷層掃描體積增材制造（TVAM）相結合，無需更換料桶或打印后校準。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62057-6

EmVP工藝在投影之前將一種材料嵌入到另一種材料中，使用 EMB3D 將墨水沉積到光聚合支撐槽中。然后使用 TVAM 同時聚合兩種材料。為了實現同步，弗萊堡團隊設計了兩種材料的凝膠時間，使其趨于一致：嵌入的高模量墨水（Mat 1）為 59.8 秒，低模量支撐槽（Mat 2）為 64.7 秒。每種樹脂均用 Aerosil R805 改性，以形成適用于擠出和體積固化的觸變性基質。折射率差異被最小化，以減少曝光過程中的光散射。

△使用支撐槽的正負嵌入式擠壓體積打印 (EmVP) 打印工藝示意圖。圖片來自《自然通訊》。

墊片 1 以己二醇二丙烯酸酯(HDDA) 為基體，肖氏 D 硬度為 27.4，彈性模量為 122 MPa。墊片 2 以Genomer 1122TF 為基體，肖氏 D 硬度為4.9，彈性模量為 1.28 MPa。為防止打印過程中出現沉淀，兩種樹脂的增稠度均超過 2000 mPa·s。剪切力消除后，墊片 1 的恢復時間為 4.7 秒，墊片 2 的恢復時間為1.7 秒，從而實現了精確的油墨沉積和穩(wěn)定。紫外-可見光譜法證實，兩種材料在 TVAM 設置中使用的 450 nm 投影波長下均保持了足夠的透射率。

通過 EmVP 制造的多材料部件包括堆疊的雙硬度球體、嵌入柔性圓柱壁的細絲，以及由剛性嵌入環(huán)加固的軟殼組成的執(zhí)行器。EMB3D 實現的嵌入細絲直徑為 175 微米。其中一個結構以羅丹的“思想者”為原型，置于嵌入軟樹脂主體的剛性平臺上，變形測試證實了選擇性機械響應。通過微 CT 測定，打印幾何形狀與模型幾何形狀之間的平均豪斯多夫距離為 0.23 ± 0.28毫米，證明了體積材料轉變的空間保真度。

△采用正片EmVP 工藝打印的部件選型。圖片來自《自然通訊》。

除了正向材料集成外，研究人員還使用犧牲油墨來形成嵌入式空隙。這種工藝被稱為負向EmVP，通過在體積固化后沖洗掉非光聚合性油墨，可以直接制造空心微通道。團隊使用Pluronic PE3100作為犧牲相，打印了Y型連接芯片和螺旋圓柱形設計，內徑小至119微米。這一分辨率超過了獨立TVAM系統(tǒng)500微米的分辨率下限，而過度固化和擴散效應通常會限制負向特征的保真度。通道直徑通過15微米體素分辨率的microCT掃描進行驗證。

與順序多材料體積打印 (SMVP) 相比，EmVP 無需額外的支撐結構、復雜的機械定位或雙波長投影系統(tǒng)。SMVP 要求每次固化一種材料，然后更換打印槽并進行對準。相比之下，弗萊堡大學的 EmVP 技術則在一個體積打印步驟中完成所有固化過程，嵌入的材料通過周圍介質的流變特性固定到位。

△負向EmVP 工藝用于打印帶有小通道的 3D 微流體芯片。圖片來自《自然通訊》。

EmVP 的先前實現僅限于套印，即將一種材料完全包裹在另一種材料中。本研究擴展了這一技術，實現了由不同材料組成的暴露且空間不同的區(qū)域。通過僅沉積必要的最小墨水量，研究人員最大限度地減少了滲出偽影并縮短了 EMB3D 打印時間。這種選擇性沉積與投影優(yōu)化相結合，使用對象空間模型優(yōu)化(OSMO)，優(yōu)化通過比例積分直方圖均衡化進行改進。投影計算通過體素化 3D 模型、進行正向投影以模擬光路，并迭代調整劑量分布以匹配目標幾何形狀。

為了在不重新設計光學系統(tǒng)的情況下實現工藝規(guī)模化，團隊優(yōu)先考慮將吸收率更高的材料嵌入少數相，使凸起能夠固化整個結構而不會吸收過多的能量。這種設置能夠在不減小像素尺寸或增加系統(tǒng)復雜性的情況下保持分辨率。對于微通道生產，EmVP 通過在 EMB3D 過程中控制針頭直徑，將通道分辨率與像素密度分離，從而實現比TVAM 單獨實現的更精細的內部特征。

△本研究中使用的支撐槽和油墨的光流變性、流變性和光學特性。圖片來自《自然通訊》。

EmVP 擴展了體積系統(tǒng)中可打印架構的范圍，支持異構機械特性和嵌入式微流體幾何結構。應用領域包括軟機器人、功能部件原型設計和芯片實驗室設備。該技術可在傳統(tǒng)的基于 LCD 的 TVAM 硬件上運行，無需使用波長選擇性樹脂或硬件增強。它能夠在單個體積打印步驟中同時生成正負特征，為可擴展的多材料增材制造開辟了一條發(fā)展方向。