麻省理工學(xué)院開發(fā)雙波長(zhǎng)桶式光聚合方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)并減少浪費(fèi)

2025年6月9日，南極熊獲悉，來自麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新型光固化 3D 打印方法，所使用的光敏樹脂能夠根據(jù)所照射的光線類型形成耐用的結(jié)構(gòu)和可溶解的支撐物。紫外線 (UV) 可使樹脂硬化成堅(jiān)固的永久形狀，而可見光則可產(chǎn)生可溶解于特定溶劑的較弱支撐物。這種新方法無需切割或銼削等手動(dòng)后處理，從而加快了生產(chǎn)速度并最大限度地減少了浪費(fèi)。

參與項(xiàng)目的麻省理工學(xué)院研究生尼古拉斯·迪亞科說道：“現(xiàn)在，你只需一次打印就能打印出包含多個(gè)部件、功能性組件，這些組件包含可移動(dòng)或互鎖的部件，而且基本上可以清洗掉支撐。你不用把這些材料扔掉，而是可以在現(xiàn)場(chǎng)回收，從而減少浪費(fèi)。這才是最終的目的。”

△可溶解的支持物。圖片來自麻省理工學(xué)院。

相關(guān)研究以題為“Dual-Wavelength VatPhotopolymerization With Dissolvable, Recyclable Support Structures”的論文發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》雜志上，由 Diaco 與 Carl Thrasher、Max Hughes、Kevin Zhou、Michael Durso、Saechow Yap、Robert Macfarlane 教授和 A. John Hart 教授合作完成。項(xiàng)目得到了香港感知與交互智能中心 (InnoHK)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)海軍研究辦公室和美國(guó)陸軍研究辦公室的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/admt.202500650

工作原理：雙固化樹脂創(chuàng)新

傳統(tǒng)的桶裝光聚合 (VPP) 工藝始于一個(gè)包含物體和小型支撐結(jié)構(gòu)的 3D 數(shù)字模型。模型被切成薄片，并送入 VPP 3D 打印機(jī)，在那里逐層構(gòu)建。打印完成后，平臺(tái)將部件從樹脂槽中取出，沖洗掉多余的樹脂，并手動(dòng)移除并丟棄臨時(shí)支撐。迪亞科說道：“大多數(shù)情況下，這些支撐最終會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物。”

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種雙固化樹脂，由兩種對(duì)光有明顯反應(yīng)的單體組成。紫外線照射會(huì)誘導(dǎo)形成堅(jiān)固的永久性結(jié)構(gòu)，而可見光則會(huì)引發(fā)較弱的可溶性支撐物的生成，這些支撐物可在各種食品安全液體（包括嬰兒油）中降解。值得注意的是，這些支撐物還可以溶解在原始樹脂的主要液體成分中，從而促進(jìn)材料的持續(xù)回收利用。

△使用新樹脂制成的 3D 打印微型齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方式與其他材料制成的典型齒輪一樣。來自麻省理工學(xué)院

最初，這種方法在應(yīng)用過程中面臨挑戰(zhàn)：在采用比實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式設(shè)備強(qiáng)度更低的LED的3D打印機(jī)上，紫外固化樹脂無法在溶液中保持穩(wěn)定。較弱的光線只能部分鍵合單體鏈，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連接過于松散，無法保持完整。研究人員通過引入第三種“橋接”單體克服了這一限制，這種單體在紫外光下幫助兩種原始單體鍵合，從而形成更堅(jiān)固的框架。這項(xiàng)改進(jìn)使他們能夠通過在單次打印過程中交替使用紫外光和可見光，同時(shí)打印出耐用的3D結(jié)構(gòu)和可溶解的支撐物。研究團(tuán)隊(duì)使用這種方法成功打印了一系列設(shè)計(jì)，包括互鎖齒輪、格子框架以及包裹在可溶解蛋狀外殼中的微型恐龍。

迪亞科說：“所有這些結(jié)構(gòu)，打印時(shí)都需要內(nèi)外支撐網(wǎng)格。移除這些支撐通常需要小心地手動(dòng)移除。這表明，我們可以快速且可持續(xù)地打印包含大量活動(dòng)部件的多部件組件，以及助聽器和牙科植入物等精細(xì)的個(gè)性化產(chǎn)品。”

△使用新型樹脂打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括功能性齒輪系、復(fù)雜晶格和牙種植體。圖片來自麻省理工學(xué)院。

約翰·哈特教授強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)技術(shù)為更可持續(xù)地?cái)U(kuò)展聚合物3D打印開辟了新的可能性。哈特說道：“我們將繼續(xù)研究工藝的極限，并希望開發(fā)出更多具有這種波長(zhǎng)選擇性和耐用產(chǎn)品所需機(jī)械性能的樹脂。結(jié)合自動(dòng)化部件處理和溶解樹脂的閉環(huán)再利用，這是一條通往資源高效、經(jīng)濟(jì)高效的大規(guī)模聚合物3D打印的激動(dòng)人心的途徑。”

麻省理工學(xué)院推動(dòng)機(jī)器人和生物工程領(lǐng)域 3D 打印技術(shù)發(fā)展

今年3月，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）與浙江大學(xué)和清華大學(xué)合作，推出了“ Xstrings ”技術(shù)，這是一種3D打印纜繩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的新方法，能夠?qū)崿F(xiàn)類似人類的運(yùn)動(dòng)——彎曲、盤繞、擰緊和壓縮。傳統(tǒng)上，嵌入纜繩需要手工操作，但Xstrings采用多材料FDM打印技術(shù)，只需一步即可將纜繩直接集成到結(jié)構(gòu)中。配套的數(shù)字工具使用戶無需手動(dòng)組裝即可設(shè)計(jì)和打印復(fù)雜且可運(yùn)動(dòng)的組件。

此外，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新方法，可以培育出能夠在多個(gè)方向收縮的人造肌肉組織，從而比以往更接近地模擬天然肌肉的運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)發(fā)表在《生物材料科學(xué)》雜志上，引入了一種微地形沖壓方法，可以精確控制肌肉纖維的形成和排列。該研究成果有望應(yīng)用于生物混合機(jī)器人、再生醫(yī)學(xué)和肌肉疾病研究，并有助于彌合工程組織與生物組織之間的差距。