一鍋雙料，國外團隊開發出利用單一樹脂實現雙材料3D打印的突破性技術
時間：2025-06-24 09:23 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：在3D打印領域，一項突破性技術再次拓寬了光固化增材制造的邊界。在生活中，一鍋大亂燉讓準備飯菜變得快捷方便，而這種”一鍋煮“的模式也能為3D打印帶來同樣的效果。
2025年6月23日，近日發表在《ACS Central Science》期刊上的一項題為“Dual-Wavelength Simultaneous Patterning of Degradable ThermosetSupports for One-Pot Embedded 3D Printing”的研究引起了業界的關注：研究人員開發出一種基于“雙波長同步成像”的大桶光聚合（Vat Photopolymerization,VP）技術，首次實現在“單一樹脂”體系內打印出永久性結構與可降解支撐雙材料物體。
這項技術被稱為“一鍋法”（one-pot）3D打印解決方案，可以簡化復雜3D打印物品（包括組織工程支架和機械部件）的生產。憑借高集成度、低后處理負擔以及出色的打印精度等優勢，這項技術有望在生物醫學、航天工程和復雜微結構制造等領域掀起新一輪技術革命。
一鍋打印雙材料：告別樹脂更換的新路徑
傳統的光聚合類3D打印（如SLA/DLP）在打印復雜結構（如懸臂、互鎖件）時，必須依賴支撐結構來維持構建過程中的幾何穩定。然而，這些支撐結構通常與主體材料相同，后處理需要機械方式拆除，不僅耗費人力、影響表面質量，甚至可能導致結構損傷。
為解決這一問題，研究團隊（包括美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和加州大學圣塔芭芭拉分校）創造性地開發出一款“一鍋雙網絡”樹脂系統。這種樹脂包含兩種主要單體網絡：
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可降解的熱固性網絡：由光照405 nm（可見光）時發生自由基聚合形成；
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永久性的環氧網絡：由光照365 nm（紫外光）時觸發陽離子聚合構建。
△雙波長樹脂在一個鍋中同時將自由基和陽離子網絡融合在一起，包括每個反應的光啟動器，交叉鏈接和聯合工具。
通過調整不同波長光的照射區域，科研人員可以在同一層中同時打印出可降解支撐結構和永久功能部件。這種方法無需更換樹脂、無須物理切換噴頭或平臺，極大提升了打印效率與幾何自由度。
定制化光路系統：雙波長負像DLP打印機
為了實現波長選擇性打印，團隊構建了一臺定制化“雙波長負像成像（DWNI）”DLP打印設備。該系統通過單一數字微鏡裝置（DMD）控制兩個不同波長（405 nm與365 nm）的光源，實現同層不同區域光化學選擇性激發。技術核心在于：
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單DMD投影雙波長圖像，避免兩個光源錯位；
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負像成像原理，同一鏡面角度下兩波長互為鏡像，“黑區為支撐，白區為結構”；
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同步投影大幅降低打印時間——理論上比傳統雙步打印快50%。
△（a）雙波長負成像（DWNI）DLP打印機可以獨立控制數字微龍設備（DMD）中的鏡子。通過切換鏡面角，可以將不同的光波長投射到同一層的不同像素上。（b）將2D黑色/白色圖像上傳到DMD，以對每一層進行模式。黑色區域充滿了405 nm的光線，白色區域充滿了365 nm的光。每個波長可以同時獨立地投射。
這一光學系統可謂是硬件設計與樹脂配方協同創新的典范，為多材料打印設備的輕量化、低成本化提供了全新方向。
材料配方突破：性能與綠色制造兼顧
在樹脂系統方面，研究人員精心篩選光引發劑、交聯劑和輔助單體，構建出雙功能配方。可降解網絡采用甲基丙烯酸酯與琥珀酸交聯體系，不僅具備快速光聚性，還可在堿性溶液中快速降解。永久網絡基于環氧單體與催化劑配合體系，經紫外照射后能形成高交聯度、耐熱耐水解的結構。通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）與動態力學分析（DMA）驗證，最終材料具備良好的機械性能（如在200℃下橡膠模量為2.69×10⁷ Pa），且熱后處理不會破壞其分相結構。同時，支撐部分在5 M NaOH溶液中15分鐘內可完全溶解，且降解產物為無毒成分，如己二酸等。這種綠色可降解特性，也為該材料在醫療器械和組織工程方向的應用打開了想象空間。
研究人員通過創建越來越復雜的結構（包括棋盤格圖案、互鎖環和籠中球設計）來展示他們的技術。這些結構原本依賴“先打主結構、后手動拆支撐”的繁瑣工藝，如今借助DWNI系統與雙材料一鍋樹脂得以自動化成形與解耦，大幅度釋放了3D打印自由度，展示了創建傳統3D打印方法難以制造的復雜物體的潛力。
△像這條鏈條這樣復雜的多部分物體，可以通過一種新的桶式聚合技術一次性 3D 打印出來。（圖片來源：ACS Central Science）
最終，研究的通訊作者之一馬克西姆·舒斯特夫（Maxim Shusteff）表示：“光聚合技術以其快速和高分辨率的打印而聞名，但打印后最令人頭疼的部分之一，是手動移除復雜的互鎖和懸垂結構的支撐。我們非常高興能夠用簡單的化學方法解決這個問題。”本研究由美國能源部、加州大學實驗室研究費用駐留研究生獎學金以及勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的勞倫斯博士后獎學金資助。
(責任編輯：admin)
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