RIT 研究人員開發3D打印自修復光聚合物，以延長零件壽命和可持續性
時間：2025-05-23 10:01 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年5月22日，羅徹斯特理工學院(RIT)的研究團隊開發了一種用于 3D 打印的自修復光聚合物系統，可在損壞后恢復機械性能，旨在提高可持續性并減少材料浪費。研究團隊由博士生 Vincent Mei 領導，并與 Kory Schimmelpfennig 和 Christopher L. Lewis教授合作，采用雙相材料配方，可同時增強基于光聚合物的增材制造的耐用性和可修復性。該項目是RIT最新研究重點，它提出了一種將自修復功能集成到高分辨率光固化3D打印工藝中的途徑。此類材料可以減少航空航天和生物醫學等高要求環境中零件更換的需求，從而降低成本并減少對環境的影響。
光聚合物創新助力可持續發展
光聚合物因其精度高且適用于復雜的幾何形狀，在增材制造中得到廣泛應用。然而，傳統的光聚合物往往易碎且易損壞，限制了在功能性或承重應用中的使用。通過將熱塑性聚合物與傳統的紫外光固化熱固性樹脂相結合，RIT 團隊創造了一種可打印的共混物，它既能保持形狀穩定性，又能通過熱激活實現自修復。
這兩種材料在打印過程中會形成均勻透明的樹脂混合物。固化后，它們會分離成互鎖相：熱固性材料提供機械剛性，而熱塑性材料可以重新熔化并流入裂縫或斷裂處。冷卻后，熱塑性材料會重新固化，從而有效地密封受損區域。
△雙相光聚合物策略，可實現機械增強、自修復和3D打印性能。這一配方整合了熱固性和熱塑性成分，以實現高分辨率SLA打印，并直觀地演示了斷裂恢復和打印保真度。圖片來自RIT。
已證明的性能和應用
研究人員報告稱，新型樹脂配方在修復后幾乎可以恢復全部原始機械強度，并且在某些情況下，與傳統的光聚合物體系相比，表現出更高的韌性和強度。這些結果在航空航天、軟機器人、涂料和醫療設備等領域尤為重要，因為這些領域的長使用壽命和可靠性至關重要。1993年至2009年間，哈勃太空望遠鏡的五次維修任務耗資數十億美元，凸顯了可現場修復部件的潛在價值。RIT項目建議，在關鍵部件中使用自修復材料可以減少有效載荷需求，并實現更輕、更可持續的任務配置。
平衡可打印性和成形性能
盡管熱塑性材料具有機械優勢，但也給3D打印帶來了挑戰。研究團隊目前正在改進樹脂配方，以在易加工性、最佳修復性能和耐用性之間取得平衡。最終目標是開發出適用于SLA和DLP打印工作流程的商業化樹脂系統。這項研究為旨在擴展可打印材料功能的眾多研究增添了新的內容。隨著增材制造技術向更具可持續性和應用針對性的材料發展，自修復聚合物有望成為延長產品壽命和減少環境浪費的關鍵技術。
增材制造中的自修復材料
自修復材料在增材制造領域發展勢頭強勁，研究人員致力于通過嵌入可自主修復損傷的結構來解決易碎、一次性打印部件的局限性。代爾夫特理工大學最近的一項研究展示了一種熱塑性聚氨酯 (TPU) 長絲，它在 FDM 打印后可在室溫下自修復，無需后處理加熱即可恢復機械完整性。這種 TPU 在軟體機器人或柔性電子產品領域展現出巨大潛力，因為耐用性和易修復性對這些領域至關重要。
△聯合研究團隊開發了一系列可重復使用、自修復的彈性體3D打印材料（如圖）。圖片來自德克薩斯農工大學
早期的項目，例如南加州大學的3D 打印彈性體研究和墨爾本大學的自修復凝膠，強調了橡膠類材料和光學透明凝膠的修復潛力，不僅展示了可修復性，還展示了可穿戴設備和柔性電子產品的可能性。
綜上所述，這些進展凸顯了多樣化的戰略格局，涵蓋基于線材、樹脂混合和結構性儲層系統，所有這些戰略都致力于打造高彈性打印部件。它們為RIT項目奠定了堅實的基礎，該項目集成了一種熱塑性/熱固性雙相光聚合物，能夠同時進行高分辨率打印和熱激活修復，為不斷發展的可持續耐用增材制造材料生態系統增添新的內容。
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