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新型波長選擇固化技術(shù)!支持快速、高分辨率3D打印

3D打印動(dòng)態(tài)
2025
07/10
15:40
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評(píng)論
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(dòng)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(duì)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(shí)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。

研究內(nèi)容
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(shí)現(xiàn)了材料間的共價(jià)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(shí)時(shí)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(yàn)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(yàn),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(jiān)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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。灰度多色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(tái)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(shí)際應(yīng)用之間的差距提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
文章來源:
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02249-z




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