Xolography 助力微重力 3D 打印，開(kāi)啟太空制造新時(shí)代

來(lái)源：EFL生物3D打印與生物制造

在太空探索中，3D打印技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)太空制造意義重大，但當(dāng)前多數(shù)3D打印技術(shù)受重力影響顯著，在微重力環(huán)境下難以有效應(yīng)用。像基于粉末床融合和 vat光聚合的技術(shù)，在微重力下需要復(fù)雜的輔助裝置來(lái)解決材料沉積和固定問(wèn)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(shù)發(fā)展的一大阻礙。  

德國(guó)xolo公司Niklas Felix König團(tuán)隊(duì)聚焦于Xolography這一體積3D打印技術(shù)，該技術(shù)利用雙光束引發(fā)光聚合反應(yīng)，具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究重力和光聚合物流變學(xué)對(duì)Xolography打印過(guò)程的影響，驗(yàn)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(jìn)行快速精確打印，不受材料流變學(xué)限制，能實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐結(jié)構(gòu)、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(dòng)太空制造技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)工作以“Xolography for 3D Printing in Microgravity”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。

1. Xolography技術(shù)原理及微重力實(shí)驗(yàn)裝置展示
通過(guò)示意圖和3D模型展示的研究方法，介紹Xolography技術(shù)利用雙光束引發(fā)光聚合的原理，以及適應(yīng)拋物線(xiàn)飛行微重力實(shí)驗(yàn)的打印機(jī)設(shè)計(jì)，研究該技術(shù)在微重力環(huán)境下的工作基礎(chǔ)。結(jié)果表明，此技術(shù)通過(guò)獨(dú)特光引發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)空間控制聚合，打印機(jī)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足微重力實(shí)驗(yàn)需求。

圖1. 微重力下的Xolography技術(shù)

2. 不同重力環(huán)境中牛頓流體光聚合物打印的運(yùn)動(dòng)分析
以具有牛頓流體行為的光聚合物為研究對(duì)象，在微重力（μG）和地球重力（1G）環(huán)境下，通過(guò)在矩形基板上連續(xù)打印標(biāo)記并測(cè)量其位置變化，研究不同粘度光聚合物打印時(shí)基板的運(yùn)動(dòng)情況。結(jié)果顯示，微重力下牛頓流體光聚合物打印的基板無(wú)垂直運(yùn)動(dòng)；地球重力下，其運(yùn)動(dòng)與粘度相關(guān)，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(guò)程中的垂直運(yùn)動(dòng)

3. 非牛頓流體光聚合物在不同重力下的打印效果
針對(duì)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(yùn)動(dòng)，以及打印復(fù)雜模型（如羅丹的《思想者》）的方法，研究其打印穩(wěn)定性。結(jié)果表明，非牛頓流體光聚合物憑借屈服應(yīng)力，在不同重力條件下都能實(shí)現(xiàn)無(wú)明顯位移的穩(wěn)定打印。

圖3. 使用具有屈服應(yīng)力的光聚合物在1G和超重力條件下的無(wú)變形打印

4. 微重力下Xolography技術(shù)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(jié)構(gòu)為打印目標(biāo)，通過(guò)顯微鏡觀察打印后的結(jié)構(gòu)，研究Xolography技術(shù)的打印分辨率。結(jié)果顯示，該技術(shù)能實(shí)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(biāo)（打印速度6mm/min）

5. Xolography在微重力下的打印成果及應(yīng)用展示
利用Xolography技術(shù)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(xué)元件、微流體結(jié)構(gòu)、生物模型等，研究該技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。結(jié)果表明，Xolography可打印出復(fù)雜且精細(xì)的結(jié)構(gòu)，在微流體芯片、生物打印、光學(xué)制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，打印的光學(xué)元件表面光滑，生物相容性水凝膠結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足生物研究需求。

圖5. 拋物線(xiàn)飛行實(shí)驗(yàn)的示例性打印概述

研究結(jié)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(shù)，該體積打印技術(shù)融合了制造速度與分辨率的優(yōu)勢(shì)，且能適應(yīng)多種重力條件。研究詳細(xì)分析了光聚合物流變學(xué)和打印物體的垂直運(yùn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)高分辨率、無(wú)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(fù)相關(guān)，而非牛頓流體光聚合物通過(guò)控制屈服應(yīng)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(lèi)材料，在微重力及變重力條件下成功制造出高分辨率的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。這表明 Xolography 在太空制造領(lǐng)域前景廣闊，有望實(shí)現(xiàn)按需制造 。

挑戰(zhàn)與展望
目前用于該技術(shù)的光聚合物體系相對(duì)有限，需要開(kāi)發(fā)更多種類(lèi)、性能更優(yōu)的材料，以滿(mǎn)足太空制造中不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外，進(jìn)一步提升打印速度的同時(shí)保證打印質(zhì)量，以及優(yōu)化打印機(jī)設(shè)計(jì)使其更適應(yīng)太空長(zhǎng)期任務(wù)的特殊環(huán)境，也是亟待解決的問(wèn)題。未來(lái)，Xolography 有望與其他新興技術(shù)結(jié)合，拓展在太空的應(yīng)用范圍，比如用于制造更復(fù)雜的太空設(shè)備組件、構(gòu)建太空生物培養(yǎng)體系等。隨著技術(shù)的不斷完善，Xolography 將為太空探索和長(zhǎng)期駐留提供有力支持，推動(dòng)太空制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1002/adma.202413391