Xolography 助力微重力 3D 打印，開啟太空制造新時代

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在太空探索中，3D打印技術對實現(xiàn)太空制造意義重大，但當前多數(shù)3D打印技術受重力影響顯著，在微重力環(huán)境下難以有效應用。像基于粉末床融合和 vat光聚合的技術，在微重力下需要復雜的輔助裝置來解決材料沉積和固定問題；擠出式打印雖有研究，但也存在局限。這成為太空制造技術發(fā)展的一大阻礙。  

德國xolo公司Niklas Felix König團隊聚焦于Xolography這一體積3D打印技術，該技術利用雙光束引發(fā)光聚合反應，具備獨特優(yōu)勢。團隊通過實驗研究重力和光聚合物流變學對Xolography打印過程的影響，驗證其在微重力環(huán)境下的打印可行性。研究發(fā)現(xiàn)，在微重力下，Xolography可使用低粘度配方進行快速精確打印，不受材料流變學限制，能實現(xiàn)無支撐結構、高分辨率的3D打印。這一成果為太空制造提供了新的解決方案，有望推動太空制造技術的發(fā)展。相關工作以“Xolography for 3D Printing in Microgravity”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。

1. Xolography技術原理及微重力實驗裝置展示
通過示意圖和3D模型展示的研究方法，介紹Xolography技術利用雙光束引發(fā)光聚合的原理，以及適應拋物線飛行微重力實驗的打印機設計，研究該技術在微重力環(huán)境下的工作基礎。結果表明，此技術通過獨特光引發(fā)機制實現(xiàn)空間控制聚合，打印機設計滿足微重力實驗需求。

圖1. 微重力下的Xolography技術

2. 不同重力環(huán)境中牛頓流體光聚合物打印的運動分析
以具有牛頓流體行為的光聚合物為研究對象，在微重力（μG）和地球重力（1G）環(huán)境下，通過在矩形基板上連續(xù)打印標記并測量其位置變化，研究不同粘度光聚合物打印時基板的運動情況。結果顯示，微重力下牛頓流體光聚合物打印的基板無垂直運動；地球重力下，其運動與粘度相關，且因聚合熱影響出現(xiàn)先上浮后沉降現(xiàn)象。

圖2. 微重力和1G環(huán)境下矩形基板在打印過程中的垂直運動

3. 非牛頓流體光聚合物在不同重力下的打印效果
針對具有非牛頓流體行為的光聚合物，在地球重力（1G）和超重力（最高1.8G）環(huán)境下，采用打印基板并跟蹤其垂直運動，以及打印復雜模型（如羅丹的《思想者》）的方法，研究其打印穩(wěn)定性。結果表明，非牛頓流體光聚合物憑借屈服應力，在不同重力條件下都能實現(xiàn)無明顯位移的穩(wěn)定打印。

圖3. 使用具有屈服應力的光聚合物在1G和超重力條件下的無變形打印

4. 微重力下Xolography技術的打印分辨率探究
在微重力環(huán)境中，選用塑料光聚合物1C和水凝膠配方3，以不同尺寸和形狀的特征結構為打印目標，通過顯微鏡觀察打印后的結構，研究Xolography技術的打印分辨率。結果顯示，該技術能實現(xiàn)高分辨率打印，塑料光聚合物1C和水凝膠配方3分別可分辨小至30μm和20μm的特征，且水凝膠打印邊緣清晰，尺寸精度高。

圖4. 微重力環(huán)境下20秒內(nèi)打印的分辨率目標（打印速度6mm/min）

5. Xolography在微重力下的打印成果及應用展示
利用Xolography技術在微重力或超重力環(huán)境下打印多種模型，如航天器械、光學元件、微流體結構、生物模型等，研究該技術在不同領域的應用潛力。結果表明，Xolography可打印出復雜且精細的結構，在微流體芯片、生物打印、光學制造等領域展現(xiàn)出良好的應用前景，打印的光學元件表面光滑，生物相容性水凝膠結構滿足生物研究需求。

圖5. 拋物線飛行實驗的示例性打印概述

研究結論
本研究探索了 Xolography 在太空 3D 打印的可行性與潛力。相較于傳統(tǒng)增材制造技術，該體積打印技術融合了制造速度與分辨率的優(yōu)勢，且能適應多種重力條件。研究詳細分析了光聚合物流變學和打印物體的垂直運動，發(fā)現(xiàn)牛頓流體和非牛頓流體光聚合物均可在微重力下實現(xiàn)高分辨率、無變形打印。在地球重力下，牛頓流體光聚合物的漂浮和沉降速度與粘度呈負相關，而非牛頓流體光聚合物通過控制屈服應力，能在 1G 甚至 1.8G 的超重力下穩(wěn)定打印。研究還涉及塑料和水凝膠兩類材料，在微重力及變重力條件下成功制造出高分辨率的復雜幾何結構。這表明 Xolography 在太空制造領域前景廣闊，有望實現(xiàn)按需制造 。

挑戰(zhàn)與展望
目前用于該技術的光聚合物體系相對有限，需要開發(fā)更多種類、性能更優(yōu)的材料，以滿足太空制造中不同應用場景的需求。此外，進一步提升打印速度的同時保證打印質(zhì)量，以及優(yōu)化打印機設計使其更適應太空長期任務的特殊環(huán)境，也是亟待解決的問題。未來，Xolography 有望與其他新興技術結合，拓展在太空的應用范圍，比如用于制造更復雜的太空設備組件、構建太空生物培養(yǎng)體系等。隨著技術的不斷完善，Xolography 將為太空探索和長期駐留提供有力支持，推動太空制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202413391