多波長(zhǎng)DLP光固化3D打印技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)可溶解支撐

2025年5月31日，南極熊獲悉，來(lái)自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員開發(fā)了一種用于多波長(zhǎng)數(shù)字光處理 (DLP) 3D 打印的新型樹脂系統(tǒng)，能夠使用可溶解支撐快速制造獨(dú)立式和非組裝式結(jié)構(gòu)。多色 DLP系統(tǒng)結(jié)合了紫外光和可見光響應(yīng)化學(xué)反應(yīng)，可生產(chǎn)出具有不同溶解度特征的材料，從而顯著簡(jiǎn)化了后處理流程。

相關(guān)研究以題為“Multicolor Digital Light Processing 3D Printing Enables Dissolvable Supports for Freestanding and Non-Assembly Structures “的論文發(fā)表于《ACS Central Science》雜志上。這項(xiàng)研究由 Zachariah A. Page 領(lǐng)導(dǎo)，得到了美國(guó)陸軍研究辦公室、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和羅伯特·A·韋爾奇基金會(huì)的支持。作者還感謝與MonoPrinter和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合作。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.5c00289

當(dāng)前的DLP工作流程通常受限于需要手動(dòng)移除支撐結(jié)構(gòu)，尤其是在制造帶有懸垂或內(nèi)部接頭的組件時(shí)。這些限制制約了自動(dòng)化程度，并增加了生產(chǎn)時(shí)間和成本。為了克服這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了波長(zhǎng)選擇性光聚合物樹脂，根據(jù)打印過(guò)程中使用的光顏色，它可以形成不溶性熱固性樹脂或易溶性熱塑性樹脂。

實(shí)際上，這使得支撐材料能夠用一種材料打印，并使用環(huán)保溶劑乙酸乙酯快速溶解，而不會(huì)影響主要結(jié)構(gòu)。支撐材料在室溫下10分鐘內(nèi)即可溶解，無(wú)需耗時(shí)的打磨或切割。

△圖示：傳統(tǒng)DLP 3D打印采用手動(dòng)去除支撐（A）與新型多色DLP工藝采用可溶解支撐（B）的對(duì)比。圖片來(lái)自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。

高分辨率多材料打印

這項(xiàng)研究展示了多色DLP技術(shù)如何作為精密的多材料平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)亞100微米的特征分辨率，層高低至50微米。通過(guò)調(diào)節(jié)光引發(fā)劑和光酸系統(tǒng)，使其選擇性地響應(yīng)紫外光（365納米）、紫光（405納米）或藍(lán)光（460納米），研究團(tuán)隊(duì)在單個(gè)容器中實(shí)現(xiàn)了聚合物網(wǎng)絡(luò)的空間控制。這使得生產(chǎn)復(fù)雜的獨(dú)立結(jié)構(gòu)成為可能，例如鎖子甲、帶有無(wú)支撐懸垂的掛鉤以及全封閉的接頭，而這些結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)上需要大量的后處理或多步驟組裝。

采用可見光固化熱塑性材料打印的支撐件在構(gòu)建過(guò)程中表現(xiàn)出足夠的機(jī)械完整性，拉伸模量約為160-200 MPa。然而，在浸入乙酸乙酯后，它們會(huì)在10分鐘內(nèi)溶解，而紫外線固化的熱固性結(jié)構(gòu)則保持完好。表面輪廓測(cè)量法證實(shí)，在支撐件和最終物體之間添加一層可溶解材料的單界面層，可顯著改善表面光潔度，無(wú)需拋光即可將粗糙度降低至5 μm以下。計(jì)算機(jī)斷層掃描驗(yàn)證了幾何保真度，與CAD文件的尺寸偏差低至126 μm，這進(jìn)一步證明了該方法在高精度、溶劑型多材料打印方面的應(yīng)用潛力。

△DLP 3D 打印中可溶解支撐與傳統(tǒng)支撐的比較。(A) 使用紫光打印的可溶解支撐圓盤，在乙酸乙酯中快速溶解。(B) 重量分析顯示選擇性質(zhì)量損失。(C) 支撐和結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能。(D) 手動(dòng)去除支撐的步驟。(E) 不同方法的表面粗糙度比較。(F) 高分辨率測(cè)試打印件展示特征保真度。圖片來(lái)自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。

邁向可擴(kuò)展自動(dòng)化

這項(xiàng)研究標(biāo)志著向自動(dòng)化大桶光聚合工作流程邁出了重要一步。通過(guò)消除手動(dòng)去除支撐物，并實(shí)現(xiàn)表面光潔度和最小粗糙度，這一新方法有望惠及醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人技術(shù)和消費(fèi)品等領(lǐng)域。

作者建議，未來(lái)的工作可能涉及改進(jìn)樹脂配方以提高性能和打印速度，可能加入新的活性稀釋劑和不透明劑以提高分辨率。

△打印的獨(dú)立式非組裝結(jié)構(gòu)示例，包括固定器、帶懸垂的掛鉤、互鎖鏈和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以及可溶解支撐移除前后的對(duì)比。圖片來(lái)自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。

可溶解材料作為后處理溶液

可溶解支撐一直是增材制造領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)，尤其在提高后處理效率方面。在熔融沉積成型 (FDM) 中，使用Oryx Additive的 SRC1等專用清潔劑可以有效去除Stratasys 的 SR-30等材料，其溶解支撐的速度是傳統(tǒng)溶液的兩倍。對(duì)于樹脂基打印，Xioneer的Vortex EZ等系統(tǒng)采用熱量和流體攪拌來(lái)簡(jiǎn)化可溶支撐的去除。在金屬增材制造領(lǐng)域，創(chuàng)新導(dǎo)致了化學(xué)工藝的發(fā)展，這些工藝可以在不損害主要部件完整性的情況下選擇性地溶解支撐結(jié)構(gòu)。這些進(jìn)步凸顯了業(yè)界致力于減少人工干預(yù)和提高 3D 打印工作流程整體效率的承諾。