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德克薩斯大學(xué)研究人員開發(fā)出用于混合材料物體的光控3D打印技術(shù)

3D打印動態(tài)
2025
07/02
21:45
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2025年7月2日,南極熊獲悉,德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(UT Austin)的研究人員開發(fā)了一種3D打印方法,可以復(fù)制自然界中軟硬材料的結(jié)合,例如軟骨包裹的骨骼。該方法利用不同顏色的光在柔性和剛性之間切換,從而能夠在一次打印中制造多材料物體。據(jù)稱,這種新方法有望推動假肢、醫(yī)療器械、可拉伸電子產(chǎn)品和軟體機(jī)器人等廣泛應(yīng)用。

相關(guān)研究以題為“Hybrid epoxy–acrylate resins for wavelength-selective multimaterial 3D printing”的論文發(fā)表在《自然材料》雜志上。



德克薩斯大學(xué)奧斯汀分;瘜W(xué)助理教授、論文的通訊作者扎克·佩奇說道:“真正激勵我和我的研究團(tuán)隊(duì)的是研究自然界的材料。大自然以一種有機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn),將硬質(zhì)和軟質(zhì)材料結(jié)合在一起,而不會在界面處發(fā)生破壞。我們想要復(fù)制這種現(xiàn)象!

項(xiàng)目得到了美國國防部、國家科學(xué)基金會和羅伯特·A·韋爾奇基金會的支持,并獲得了美國能源部和科學(xué)促進(jìn)研究公司的額外基礎(chǔ)資金。

雙光 3D 打。汗ぷ髟

新的光固化工藝涉及一種定制配方的液態(tài)樹脂和一套雙光系統(tǒng)。當(dāng)暴露在紫光下時,樹脂會固化成柔軟的橡膠狀材料。在紫外光 (UV) 下,它會硬化成硬質(zhì)塑料。這使得同一打印物體的不同區(qū)域能夠展現(xiàn)出截然不同的機(jī)械性能,同時保持結(jié)構(gòu)連接。


佩奇說:“我們構(gòu)建了一個同時具有兩種反應(yīng)基團(tuán)的分子,這樣我們的兩種凝固反應(yīng)就可以在界面處‘相互交流’!斑@使得軟硬部分之間的連接更加牢固,如果我們愿意,還可以實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式過渡!

混合材質(zhì)物體。圖片來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。

功能演示

為了測試新方法,研究團(tuán)隊(duì)打印了一個小型的、功能齊全的人體膝關(guān)節(jié)模型,包含了剛性和柔性部件,它們可以一起移動而無需分離。他們還制作了一個可拉伸電子電路的原型,電路由一根安裝在條帶上的金線組成,金線條帶可以在某些區(qū)域彎曲和拉伸,而在其他區(qū)域保持剛性以保護(hù)電路。

佩奇說道:“說實(shí)話,最讓我驚訝的是它第一次嘗試就表現(xiàn)出色。這在3D打印樹脂中幾乎從未發(fā)生過。我們也對它們性能的差異感到震驚。柔軟的部分像橡皮筋一樣拉伸,然后反彈。而堅(jiān)硬的部分則像消費(fèi)品中使用的塑料一樣堅(jiān)固。”

這套裝置設(shè)計(jì)相對簡單、快速且成本低廉,有望在學(xué)術(shù)研究、醫(yī)療原型設(shè)計(jì)和其他領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。佩奇說道:“它可以用于制作手術(shù)模型、可穿戴傳感器甚至軟體機(jī)器人的原型,這方面潛力巨大!

基于光的3D打印策略

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的技術(shù)是利用基于光的策略來增強(qiáng)材料控制并提高增材制造打印精度的一個例子。例如,麻省理工學(xué)院的研究人員最近開發(fā)了一種3D打印方法,使用了一種新型光敏樹脂: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) 會使樹脂硬化成堅(jiān)固的永久形狀,而可見光則會產(chǎn)生較弱的支撐物,可溶解于特定溶劑中。這種新方法無需切割或銼削等手動后處理,從而加快了生產(chǎn)速度并最大限度地減少了浪費(fèi)。

可溶解的支持物。圖片來自麻省理工學(xué)院。

2020年,德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一個研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種光聚合物樹脂,旨在加速可見光的高分辨率固化。這種全色材料可在四種波長(紫色、藍(lán)色、綠色和紅色)下固化,由單體、光氧化還原催化劑、兩種共引發(fā)劑和遮光劑組成。研究人員指出,這種樹脂可以與包括生物化合物在內(nèi)的各種添加劑結(jié)合使用,從而應(yīng)用于組織工程和醫(yī)療器械制造。


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