一鍋雙料，國(guó)外團(tuán)隊(duì)開發(fā)出利用單一樹脂實(shí)現(xiàn)雙材料3D打印的突破性技術(shù)

導(dǎo)讀：在3D打印領(lǐng)域，一項(xiàng)突破性技術(shù)再次拓寬了光固化增材制造的邊界。在生活中，一鍋大亂燉讓準(zhǔn)備飯菜變得快捷方便，而這種”一鍋煮“的模式也能為3D打印帶來(lái)同樣的效果。

2025年6月23日，南極熊獲悉，近日發(fā)表在《ACS Central Science》期刊上的一項(xiàng)題為“Dual-Wavelength Simultaneous Patterning of Degradable ThermosetSupports for One-Pot Embedded 3D Printing”的研究引起了業(yè)界的關(guān)注：研究人員開發(fā)出一種基于“雙波長(zhǎng)同步成像”的大桶光聚合（Vat Photopolymerization,VP）技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)在“單一樹脂”體系內(nèi)打印出永久性結(jié)構(gòu)與可降解支撐雙材料物體。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.5c00337

這項(xiàng)技術(shù)被稱為“一鍋法”（one-pot）3D打印解決方案，可以簡(jiǎn)化復(fù)雜3D打印物品（包括組織工程支架和機(jī)械部件）的生產(chǎn)。憑借高集成度、低后處理負(fù)擔(dān)以及出色的打印精度等優(yōu)勢(shì)，這項(xiàng)技術(shù)有望在生物醫(yī)學(xué)、航天工程和復(fù)雜微結(jié)構(gòu)制造等領(lǐng)域掀起新一輪技術(shù)革命。

一鍋打印雙材料：告別樹脂更換的新路徑

傳統(tǒng)的光聚合類3D打�。ㄈ鏢LA/DLP）在打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如懸臂、互鎖件）時(shí)，必須依賴支撐結(jié)構(gòu)來(lái)維持構(gòu)建過(guò)程中的幾何穩(wěn)定。然而，這些支撐結(jié)構(gòu)通常與主體材料相同，后處理需要機(jī)械方式拆除，不僅耗費(fèi)人力、影響表面質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。

為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)（包括美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校）創(chuàng)造性地開發(fā)出一款“一鍋雙網(wǎng)絡(luò)”樹脂系統(tǒng)。這種樹脂包含兩種主要單體網(wǎng)絡(luò)：

• 可降解的熱固性網(wǎng)絡(luò)：由光照405 nm（可見光）時(shí)發(fā)生自由基聚合形成；
• 永久性的環(huán)氧網(wǎng)絡(luò)：由光照365 nm（紫外光）時(shí)觸發(fā)陽(yáng)離子聚合構(gòu)建。
  

△雙波長(zhǎng)樹脂在一個(gè)鍋中同時(shí)將自由基和陽(yáng)離子網(wǎng)絡(luò)融合在一起，包括每個(gè)反應(yīng)的光啟動(dòng)器，交叉鏈接和聯(lián)合工具。

通過(guò)調(diào)整不同波長(zhǎng)光的照射區(qū)域，科研人員可以在同一層中同時(shí)打印出可降解支撐結(jié)構(gòu)和永久功能部件。這種方法無(wú)需更換樹脂、無(wú)須物理切換噴頭或平臺(tái)，極大提升了打印效率與幾何自由度。

定制化光路系統(tǒng)：雙波長(zhǎng)負(fù)像DLP打印機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇性打印，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一臺(tái)定制化“雙波長(zhǎng)負(fù)像成像（DWNI）”DLP打印設(shè)備。該系統(tǒng)通過(guò)單一數(shù)字微鏡裝置（DMD）控制兩個(gè)不同波長(zhǎng)（405 nm與365 nm）的光源，實(shí)現(xiàn)同層不同區(qū)域光化學(xué)選擇性激發(fā)。技術(shù)核心在于：

• 單DMD投影雙波長(zhǎng)圖像，避免兩個(gè)光源錯(cuò)位；
• 負(fù)像成像原理，同一鏡面角度下兩波長(zhǎng)互為鏡像，“黑區(qū)為支撐，白區(qū)為結(jié)構(gòu)”；
• 同步投影大幅降低打印時(shí)間——理論上比傳統(tǒng)雙步打印快50%。
  

△（a）雙波長(zhǎng)負(fù)成像（DWNI）DLP打印機(jī)可以獨(dú)立控制數(shù)字微龍?jiān)O(shè)備（DMD）中的鏡子。通過(guò)切換鏡面角，可以將不同的光波長(zhǎng)投射到同一層的不同像素上。（b）將2D黑色/白色圖像上傳到DMD，以對(duì)每一層進(jìn)行模式。黑色區(qū)域充滿了405 nm的光線，白色區(qū)域充滿了365 nm的光。每個(gè)波長(zhǎng)可以同時(shí)獨(dú)立地投射。

這一光學(xué)系統(tǒng)可謂是硬件設(shè)計(jì)與樹脂配方協(xié)同創(chuàng)新的典范，為多材料打印設(shè)備的輕量化、低成本化提供了全新方向。

材料配方突破：性能與綠色制造兼顧

在樹脂系統(tǒng)方面，研究人員精心篩選光引發(fā)劑、交聯(lián)劑和輔助單體，構(gòu)建出雙功能配方�？山到饩W(wǎng)絡(luò)采用甲基丙烯酸酯與琥珀酸交聯(lián)體系，不僅具備快速光聚性，還可在堿性溶液中快速降解。永久網(wǎng)絡(luò)基于環(huán)氧單體與催化劑配合體系，經(jīng)紫外照射后能形成高交聯(lián)度、耐熱耐水解的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)傅里葉變換紅外光譜（FTIR）與動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）驗(yàn)證，最終材料具備良好的機(jī)械性能（如在200℃下橡膠模量為2.69×10⁷ Pa），且熱后處理不會(huì)破壞其分相結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，支撐部分在5 M NaOH溶液中15分鐘內(nèi)可完全溶解，且降解產(chǎn)物為無(wú)毒成分，如己二酸等。這種綠色可降解特性，也為該材料在醫(yī)療器械和組織工程方向的應(yīng)用打開了想象空間。

研究人員通過(guò)創(chuàng)建越來(lái)越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（包括棋盤格圖案、互鎖環(huán)和籠中球設(shè)計(jì)）來(lái)展示他們的技術(shù)。這些結(jié)構(gòu)原本依賴“先打主結(jié)構(gòu)、后手動(dòng)拆支撐”的繁瑣工藝，如今借助DWNI系統(tǒng)與雙材料一鍋樹脂得以自動(dòng)化成形與解耦，大幅度釋放了3D打印自由度，展示了創(chuàng)建傳統(tǒng)3D打印方法難以制造的復(fù)雜物體的潛力。

△像這條鏈條這樣復(fù)雜的多部分物體，可以通過(guò)一種新的桶式聚合技術(shù)一次性 3D 打印出來(lái)。（圖片來(lái)源：ACS Central Science）

最終，研究的通訊作者之一馬克西姆·舒斯特夫（Maxim Shusteff）表示：“光聚合技術(shù)以其快速和高分辨率的打印而聞名，但打印后最令人頭疼的部分之一，是手動(dòng)移除復(fù)雜的互鎖和懸垂結(jié)構(gòu)的支撐。我們非常高興能夠用簡(jiǎn)單的化學(xué)方法解決這個(gè)問(wèn)題�！�

本研究由美國(guó)能源部、加州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究費(fèi)用駐留研究生獎(jiǎng)學(xué)金以及勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的勞倫斯博士后獎(jiǎng)學(xué)金資助。