研究人員開發(fā)一種雙波長樹脂系統(tǒng)實現3D打印可降解支撐結構，無需手動拆除

2025年7月8日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室與加州大學圣巴巴拉分校的研究人員開發(fā)了一種用于數字光處理（DLP）3D 打印的雙波長樹脂系統(tǒng)。這項研究展示了一種創(chuàng)新的“一鍋法”樹脂配方，它能夠同時打印出永久性結構和可降解支撐。這項技術的優(yōu)勢在于無需更換樹脂或進行手動支撐移除，這大大簡化了打印過程。

△通過雙波長負片成像(DWNI)對無支撐結構進行增材制造，無需手動去除支撐，同時保持打印保真度和結構完整性

針對無支撐幾何形狀的單一解決方案

在3D打印中，無支撐結構如懸垂、橋梁和自由浮動元素通常需要額外的支撐結構，這些支撐通常使用相同的材料打印，并且需要手動移除。這個過程不僅可能會損壞部件，還限制了設計的自由度。為了克服這些難題，研究人員開發(fā)了一種單樹脂系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠響應兩種不同波長的光：紫外線（365 nm）和可見光（405 nm）。紫外線用于固化環(huán)氧樹脂，形成最終的永久性結構；而可見光則用于固化（甲基）丙烯酸酯，形成可降解的支撐結構。在打印和熱后處理完成后，支撐結構可以通過在堿性水溶液中降解的方式去除，確保了原始結構的完整性。

△相關研究已發(fā)表在《ACS Central Science》期刊上，題目為“可降解熱固性材料支撐體的雙波長同步圖案化，用于一鍋嵌入式3D打印”（傳送門）

定制雙波長DLP打印機

這項技術進步的核心在于合著者Bryan Moran開發(fā)的專利雙波長負像（DWNI）DLP打印機。這種打印機僅使用一個數字微鏡裝置（DMD）即可同時投射紫外光和可見光。通過精確控制微鏡的傾斜角度，系統(tǒng)能夠選擇性地將不同波長的光投射到每個像素上，實現了在同一層上對兩種材料進行圖案化，避免了光學重疊的問題。

相較于傳統(tǒng)的順序雙波長系統(tǒng)，這種配置能夠將打印時間縮短多達50%，同時消除了在多個DMD之間進行對準的需求。此外，它還能夠同時曝光結構區(qū)域和支撐區(qū)域，從而顯著提升了打印的分辨率。

△雙波長負像和圖案圖像

優(yōu)化樹脂化學和打印性能

新樹脂配方融合了環(huán)氧單體（賦予結構剛性）與甲基丙烯酸化癸二酸（MSA，用于形成可降解的支撐）。實時傅立葉變換紅外光譜（FTIR）分析確認，可見光選擇性地聚合了(甲基)丙烯酸酯網絡，而紫外光則觸發(fā)了陽離子和自由基聚合反應，生成了堅固的環(huán)氧基質。

通過熱后處理，環(huán)氧樹脂的轉化率得到了提升?；椎慕到膺^程有效移除了犧牲結構，且未對主要部件造成損害。盡管降解后交聯密度下降了35%，機械性能測試顯示，以環(huán)氧樹脂為主的最終部件仍然保持了較高的模量。

△打印的結構中，永久性特征用藍色表示，可降解特征用粉色表示

具有可溶解支撐的復雜幾何形狀

研究人員為了驗證這種方法的性能，設計并打印了多個復雜結構，例如互鎖環(huán)、籠中球以及包裹兩個球體的螺旋結構。這些結構中的可降解支撐在打印過程中提供了必要的穩(wěn)定性，且在固化后可以輕松移除。

采用雙波長技術不僅提升了形狀保真度，還改善了表面光潔度。即使在支撐結構降解后，表面粗糙度依然保持在較低水平。分辨率測試進一步證明了該方法的精確性和有效性。

總的來說，這項光聚合技術的最新創(chuàng)新，通過波長選擇性樹脂系統(tǒng)，實現了支撐結構的自動降解與去除，無需更換樹脂或手動拆除支撐，大大簡化了3D打印過程。該方法能夠直接打印復雜的無支撐幾何結構，為自由形態(tài)增材制造帶來了新的可能性。尤其在生物醫(yī)學、流體力學和航空航天等對內部特征和精密結構有較高要求的領域，這項技術展現出廣闊的應用前景。