新型波長選擇固化技術！支持快速、高分辨率3D打印

來源：EFL生物3D打印與生物制造

自然界中的結構多由硬材料和軟材料以精確的三維排列組合而成，這種組合賦予了材料獨特的性能和功能，而合成材料難以模仿。因此，仿生類似物對硬材料與軟界面無縫連接的需求，推動了對創(chuàng)新化學和制造方法的需求。當前多材料3D打印面臨諸多挑戰(zhàn)，如生產速度慢、產品不穩(wěn)定或機械性能弱等，且沒有一種策略能滿足所有關鍵標準。來自德克薩斯大學奧斯汀分校的Zachariah A. Page教授團隊合作開發(fā)了一種混合環(huán)氧-丙烯酸酯樹脂，用于波長選擇性多材料3D打印，實現(xiàn)了快速、高分辨率的數(shù)字光處理3D打印，所打印的多材料物體具有強度、彈性和耐老化性的獨特組合。相關工作以“Hybrid epoxy–acrylate resins for wavelength-selective multimaterial 3D printing”為題發(fā)表在《Nature Materials》上。

本研究對比了灰度打印、混合樹脂多色打印等傳統(tǒng)方法與現(xiàn)有技術，系統(tǒng)分析了多材料3D打印策略的差異。研究結果顯示：傳統(tǒng)方法存在未反應單體殘留、收縮應力等固有缺陷，而當前采用混合環(huán)氧-丙烯酸酯樹脂的多色打印技術，不僅實現(xiàn)了材料間的共價鍵結合與大跨度機械性能調控，還兼具高打印速率優(yōu)勢，且經(jīng)檢測無明顯單體殘留問題。該技術通過材料體系創(chuàng)新，有效解決了傳統(tǒng)工藝的痛點，為多材料3D打印領域提供了更優(yōu)的技術路徑。

圖 1. 多材料3D打印策略對比

通過對樹脂組分的分析及實時傅里葉變換紅外光譜等方法，研究了樹脂在不同波長光照射下的固化行為。結果表明，優(yōu)化后的樹脂在365nm和405nm光照射下能快速聚合，且光系統(tǒng)在紫外光下選擇性引發(fā)環(huán)氧聚合，驗證了其適用于DLP 3D打印。

圖 2. 樹脂組分與波長選擇性固化用于多材料制造

通過對不同光固化的測試棒進行拉伸、循環(huán)拉伸等試驗，研究了其機械性能和熱穩(wěn)定性。結果表明，紫外光固化樣品堅硬強韌，紫光固化樣品柔軟可延展，且紫光固化樣品經(jīng)丙酮洗滌后光穩(wěn)定性好、彈性高。

圖 3. 顏色控制的DLP 3D打印及測試棒的熱機械表征

通過光學顯微鏡、拉伸測試和納米壓痕等方法，研究了多材料打印的分辨率和界面機械性能。結果表明，能實現(xiàn)約200μm的機械梯度分辨率，且通過灰度控制紫外和紫光曝光，可模仿自然結構的剛度梯度。  

圖 4. 3D打印多材料物體的分辨率和機械表征

通過制造硬彈簧嵌入軟圓柱和膝關節(jié)等結構，研究了多材料3D打印在生物啟發(fā)結構中的應用。結果表明，該方法能創(chuàng)造具有可調壓縮阻尼和光滑關節(jié)運動的結構，展現(xiàn)了對整體力學的精確控制。

圖 5. 生物啟發(fā)的機械超材料的多材料3D打印

通過有限元分析和數(shù)字圖像相關等方法，研究了多材料試樣的局部變形和可拉伸電子設備性能。結果表明，利用剛度對比可控制局部變形，且剛度高的插入物能在拉伸時保持電子設備功能。

圖 6. 多材料拉伸試樣的局部變形及在可拉伸電子設備中的應用

研究結論
本研究展示了一種快速、高分辨率的波長選擇性3D打印方法，用于制造具有極大機械差異的多材料結構，實現(xiàn)了生物啟發(fā)模型和可拉伸電子設備的制備。通過創(chuàng)建包含高效光系統(tǒng)的混合環(huán)氧-丙烯酸酯樹脂，以選擇性觸發(fā)陽離子和自由基聚合，本研究實現(xiàn)了高達1.5毫米/分鐘的快速打印，并獲得了約200微米的高保真多材料物體。這些結構具有約3000倍的彈性模量差異、高強度（約69兆帕）、可拉伸性（斷裂應變>250%）、彈性（90%恢復率，滯后損失<4%），以及在高強度紫外線暴露和超過100°C溫度下的穩(wěn)定性�；叶榷嗌�投影可精確控制軟硬界面的剛度梯度，模仿0.2至10毫米的自然過渡。該平臺為機械超材料的制造開辟了新領域，為彌合理論預測與實際應用之間的差距提供了實驗基礎。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02249-z