體積3D打印技術(shù)又迎來突破，水凝膠灌注生產(chǎn)復合材料成為可能

南極熊導讀：體積光固化3D打印技術(shù)，雖然商業(yè)化應用方面還處于早期，但是近兩年不斷冒出新的突破性的技術(shù)成果。

2025年7月18日，南極熊獲悉，洛桑聯(lián)邦理工學院 (EPFL)和烏普薩拉大學的研究人員開發(fā)出一種新的光固化技術(shù)，能夠通過體積增材制造 (VAM)技術(shù)生產(chǎn)復合材料，克服了這一領(lǐng)域長期以來存在的局限性。

相關(guān)研究以題為“Volumetric Additive Manufacturing of Composites via Hydrogel Infusion”的論文發(fā)表在《ACS 材料快報》上，展示了打印后水凝膠灌注如何將透明 VAM 打印部件轉(zhuǎn)化為高填料含量的功能性復合材料。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.5c00407?fig=tgr1&ref=pdf

克服體積增材制造技術(shù)（VAM）的透明度限制

VAM工藝要求光線干凈地穿過樹脂槽，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體積聚合。這使得材料的選擇僅限于透明光聚合物，并且無法使用會散射光的填料。因此，復合樹脂大多與當前的VAM技術(shù)不兼容。

為了解決這個問題，研究團隊采用了Xolography技術(shù)，這是一種新的VAM方法，利用交叉光束在容器內(nèi)定義聚合區(qū)域。他們沒有使用填充樹脂進行打印，而是先打印透明水凝膠，然后在打印后注入金屬離子。然后通過化學沉淀原位形成復合填料，從而能夠在不影響打印質(zhì)量的情況下創(chuàng)建磁性和導電部件。

△水凝膠到復合材料的制備過程示意圖。圖片來自ACS Materials Lett

具有可調(diào)性能的磁性導電復合材料

研究人員展示了兩種主要應用：利用鐵鹽和氨水凝膠內(nèi)生長磁性氧化鐵納米顆粒 (IONP)。顆粒的負載量高達 65 wt%，考慮到 VAM 中光散射填料的通常 0.5 wt% 限制，這一負載量具有里程碑式的意義。此外，研究人員通過還原注入的硝酸銀制備了銀納米顆粒復合材料，從而形成能夠閉合 LED 電路的導電結(jié)構(gòu)。

△磁性復合材料的表征。圖片來自ACS Materials Lett

磁強度、電導率和機械行為等特性可以通過改變溫度、注入時間和反應循環(huán)次數(shù)來調(diào)整。雖然較高的溫度可以提高磁化強度，但也會降低結(jié)構(gòu)完整性，凸顯了性能和耐用性之間的權(quán)衡。

△導電銀復合材料。圖片來自ACS Materials Lett

多材料和空間控制結(jié)構(gòu)

這項研究最具創(chuàng)新性的方面之一是它展示了空間局部的材料轉(zhuǎn)化。通過在沉淀步驟之前選擇性地將金屬離子注入水凝膠的某些區(qū)域，研究人員創(chuàng)建了帶有嵌入式驅(qū)動區(qū)的多材料結(jié)構(gòu)。

演示裝置包括一個帶有磁性接頭的擺錘，可使用外部磁鐵旋轉(zhuǎn)，以及一個彈簧結(jié)構(gòu)，響應行為由填料的放置驅(qū)動。這種方法可以實現(xiàn)軟體機器人、交互式設備或具有特定場地功能的智能結(jié)構(gòu)，所有這些都可以作為一體式打印，無需組裝。

△演示設備。圖片來自ACS Materials Lett

樹脂配方的后制造轉(zhuǎn)化

VAM方法并非在打印過程中開發(fā)新的樹脂混合物來容納填料，而是通過應用后制造化學來重新定義問題。單一的水凝膠配方成為用于不同復合功能的模塊化平臺，從而簡化了材料開發(fā)流程。

盡管受到多次輸注循環(huán)過程中降解的限制，作者建議改用化學性質(zhì)更穩(wěn)定的聚合物，以支持更高性能的應用。

△多材料彈簧演示。來自ACS Materials Lett.

更廣泛的影響和未來方向

這項研究有望在生物醫(yī)學設備、傳感器、機器人和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域開啟新的應用可能性，因為這些領(lǐng)域都需要多功能材料和幾何自由度。這種基于灌注的方法也與其他依賴樹脂透明度的VAM平臺兼容，包括多光子光刻技術(shù)。

相關(guān)工藝已申請專利，以上動圖展示了對復合結(jié)構(gòu)的遠程控制，凸顯了潛力。隨著體積打印的不斷發(fā)展，這種水凝膠注入方法可能會改變行業(yè)對功能材料集成的處理方式。

體積和基于水凝膠的增材制造技術(shù)不斷發(fā)展

近年來，體積增材制造 (VAM) 技術(shù)發(fā)展迅速。今年早些時候，EPFL 的研究人員推出了一款基于 MEMS 的全息 VAM 平臺，利用微鏡來提高分辨率、能效和可擴展性，為斷層掃描打印系統(tǒng)帶來了極具潛力的升級。此外，Xolo 推出的Xube²體積打印機擴展了 Xolography 的商業(yè)潛力，支持從軟材料到光學器件的各種應用。

與此同時，加拿大國家研究委員會開發(fā)了VAM 自動曝光系統(tǒng)，通過補償可變的樹脂特性和減少固化過程中的過度曝光來改善過程控制。

Ji等人的最新研究彌補了這些進展的不足，解決了一個關(guān)鍵的材料限制：傳統(tǒng)VAM工藝與復合樹脂的不兼容性。通過實現(xiàn)打印后灌注和原位納米顆粒合成，研究人員引入了一種在VAM工作流程中生產(chǎn)功能性復合材料（包括磁性、導電性和空間可編程結(jié)構(gòu)）的實用方法。