多色數(shù)字光處理 3D 打印實(shí)現(xiàn)獨(dú)立結(jié)構(gòu)與非組裝結(jié)構(gòu)的可溶解支撐

來源：EFL生物3D打印與生物制造

數(shù)字光處理（DLP）3D打印作為一種快速、精準(zhǔn)且低浪費(fèi)的制造技術(shù)，其光固化樹脂化學(xué)多樣性的局限性，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)帶懸空懸垂（如鉤子）和無法物理分離的活動(dòng)非組裝結(jié)構(gòu)（如關(guān)節(jié)）等復(fù)雜幾何形狀的打印。當(dāng)前，這類結(jié)構(gòu)需依賴手動(dòng)后處理去除支撐，不僅耗時(shí)費(fèi)力（占總制造成本約10%），還會(huì)影響表面精度，限制了DLP在自動(dòng)化制造和復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印中的應(yīng)用。   

針對(duì)這一痛點(diǎn)，美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Zachariah A. Page教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新型多色光響應(yīng)樹脂體系，通過紫外光（UV）和可見光（紫色或藍(lán)色）的選擇性照射，分別生成不溶性熱固性材料（作為結(jié)構(gòu)主體）和可溶性熱塑性材料（作為支撐）。該團(tuán)隊(duì)利用丙烯酸酯和環(huán)氧基樹脂的協(xié)同反應(yīng)，結(jié)合微流控技術(shù)構(gòu)建了可溶解支撐體系，實(shí)現(xiàn)了在環(huán)保溶劑乙酸乙酯中10分鐘內(nèi)快速溶解支撐結(jié)構(gòu)，且表面精度優(yōu)于傳統(tǒng)手動(dòng)處理。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)在打印鉤子、鏈環(huán)、關(guān)節(jié)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的可行性，顯著提升了DLP打印的幾何適應(yīng)性和生產(chǎn)效率。   

相關(guān)工作以“Multicolor Digital Light Processing 3D Printing Enables Dissolvable Supports for Freestanding and Non-Assembly Structures”為題發(fā)表在《ACS Central Science》上。

1. DLP 3D打印中傳統(tǒng)支撐工藝與新型可溶解支撐工藝對(duì)比   
通過示意圖對(duì)比，研究了傳統(tǒng)單波長(zhǎng)DLP打印需手動(dòng)去除支撐的流程與新型多色DLP打印可溶解支撐的差異。結(jié)果表明，傳統(tǒng)工藝需經(jīng)歷切割、打磨、拋光等繁瑣步驟，耗時(shí)約12分鐘且表面粗糙度達(dá)37±9 μm；而新型工藝通過紫外光固化不溶性結(jié)構(gòu)、可見光固化可溶性支撐，經(jīng)乙酸乙酯浸泡10分鐘即可去除支撐，表面粗糙度低至3±1 μm，顯著提升效率與精度。   

圖1. 傳統(tǒng)支撐工藝與可溶解支撐工藝對(duì)比示意圖。   

2. 多色光響應(yīng)樹脂的配方設(shè)計(jì)與光物理特性
通過紫外-可見吸收光譜（UV-vis）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）及動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA），研究了以異冰片丙烯酸酯（IBOA）、環(huán)氧丙烯酸酯（ECA）為單體，搭配光引發(fā)劑（DHS、BAPO等）的樹脂體系。結(jié)果顯示，紫外光（365 nm）觸發(fā)丙烯酸酯自由基聚合與環(huán)氧陽離子交聯(lián)，形成不溶性熱固性材料（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg≈60℃）；可見光（405/460 nm）僅引發(fā)丙烯酸酯聚合，生成可溶性熱塑性材料（分子量約11 kDa），兩者在光譜響應(yīng)與化學(xué)交聯(lián)機(jī)制上具有顯著選擇性。   

圖2. 樹脂配方、光物理表征及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。   

3. 可溶解支撐的溶解動(dòng)力學(xué)與機(jī)械性能   
通過重量分析法、流變學(xué)測(cè)試及單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了可溶性支撐在乙酸乙酯中的溶解行為及力學(xué)特性。結(jié)果表明，含2 mol%鏈轉(zhuǎn)移劑（EVS）的支撐材料在10分鐘內(nèi)完全溶解，凝膠分?jǐn)?shù)（Fgel）僅約10%；其拉伸模量為160-200 MPa，斷裂應(yīng)力4.9±0.6 MPa，兼具足夠支撐強(qiáng)度與快速溶解能力。相比之下，紫外固化的不溶性結(jié)構(gòu)拉伸模量達(dá)1.2-1.6 GPa，浸泡后機(jī)械性能保持率超80%，證實(shí)材料體系的穩(wěn)定性與實(shí)用性。   

圖3. 溶解動(dòng)力學(xué)、機(jī)械性能與表面粗糙度分析。   

4. 復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的多色DLP打印驗(yàn)證   
通過數(shù)字光處理3D打印結(jié)合計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT），研究了鉤子、鏈環(huán)、球窩關(guān)節(jié)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印可行性。結(jié)果表明，帶懸空懸垂的鉤子結(jié)構(gòu)通過可見光支撐實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定成型，CT顯示打印誤差僅140 μm；互鎖鏈環(huán)結(jié)構(gòu)相鄰間隙達(dá)180 μm，打印后無粘連；球窩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，間隙精度達(dá)126 μm，證實(shí)該技術(shù)可精準(zhǔn)制造傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立懸垂與非組裝活動(dòng)結(jié)構(gòu)。   

圖4. 可溶解支撐實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印與CT掃描驗(yàn)證。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種基于多色數(shù)字光處理（DLP）的3D打印技術(shù)，通過紫外光和可見光響應(yīng)的樹脂體系實(shí)現(xiàn)了可溶解支撐結(jié)構(gòu)的制備。實(shí)驗(yàn)表明，紫外光觸發(fā)丙烯酸酯與環(huán)氧基團(tuán)的交聯(lián)，形成不溶性熱固性材料作為主體結(jié)構(gòu)；可見光僅引發(fā)丙烯酸酯聚合，生成可溶于乙酸乙酯的熱塑性支撐材料，10分鐘內(nèi)即可完全溶解。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)DLP打印中獨(dú)立懸垂結(jié)構(gòu)（如鉤子）和非組裝活動(dòng)結(jié)構(gòu)（如關(guān)節(jié)）的支撐難題，表面粗糙度低至3±1 μm，顯著優(yōu)于手動(dòng)處理工藝。打印的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如鏈環(huán)、球窩關(guān)節(jié)）經(jīng)CT掃描驗(yàn)證，誤差均小于219 μm，且機(jī)械性能穩(wěn)定（拉伸模量1.2–1.6 GPa）。本研究為自動(dòng)化3D打印復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)提供了新策略，在機(jī)器人制造、醫(yī)療器件等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，為下一代增材制造技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

文章來源：
https://doi.org/10.1021/acscentsci.5c00289