體積增材制造技術(shù)突破，使得通過(guò)水凝膠灌注生產(chǎn)復(fù)合材料成為可能

2025年7月18日，南極熊獲悉，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL)和烏普薩拉大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的光固化技術(shù)，能夠通過(guò)體積增材制造 (VAM)技術(shù)生產(chǎn)復(fù)合材料，克服了這一領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)存在的局限性。

相關(guān)研究以題為“Volumetric Additive Manufacturing of Composites via Hydrogel Infusion”的論文發(fā)表在《ACS 材料快報(bào)》上，展示了打印后水凝膠灌注如何將透明 VAM 打印部件轉(zhuǎn)化為高填料含量的功能性復(fù)合材料。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.5c00407?fig=tgr1&ref=pdf

克服體積增材制造技術(shù)（VAM）的透明度限制

VAM工藝要求光線干凈地穿過(guò)樹(shù)脂槽，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體積聚合。這使得材料的選擇僅限于透明光聚合物，并且無(wú)法使用會(huì)散射光的填料。因此，復(fù)合樹(shù)脂大多與當(dāng)前的VAM技術(shù)不兼容。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用了Xolography技術(shù)，這是一種新的VAM方法，利用交叉光束在容器內(nèi)定義聚合區(qū)域。他們沒(méi)有使用填充樹(shù)脂進(jìn)行打印，而是先打印透明水凝膠，然后在打印后注入金屬離子。然后通過(guò)化學(xué)沉淀原位形成復(fù)合填料，從而能夠在不影響打印質(zhì)量的情況下創(chuàng)建磁性和導(dǎo)電部件。

△水凝膠到復(fù)合材料的制備過(guò)程示意圖。圖片來(lái)自ACS Materials Lett

具有可調(diào)性能的磁性導(dǎo)電復(fù)合材料

研究人員展示了兩種主要應(yīng)用：利用鐵鹽和氨水凝膠內(nèi)生長(zhǎng)磁性氧化鐵納米顆粒 (IONP)。顆粒的負(fù)載量高達(dá) 65 wt%，考慮到 VAM 中光散射填料的通常 0.5 wt% 限制，這一負(fù)載量具有里程碑式的意義。此外，研究人員通過(guò)還原注入的硝酸銀制備了銀納米顆粒復(fù)合材料，從而形成能夠閉合 LED 電路的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

△磁性復(fù)合材料的表征。圖片來(lái)自ACS Materials Lett

磁強(qiáng)度、電導(dǎo)率和機(jī)械行為等特性可以通過(guò)改變溫度、注入時(shí)間和反應(yīng)循環(huán)次數(shù)來(lái)調(diào)整。雖然較高的溫度可以提高磁化強(qiáng)度，但也會(huì)降低結(jié)構(gòu)完整性，凸顯了性能和耐用性之間的權(quán)衡。

△導(dǎo)電銀復(fù)合材料。圖片來(lái)自ACS Materials Lett

多材料和空間控制結(jié)構(gòu)

這項(xiàng)研究最具創(chuàng)新性的方面之一是它展示了空間局部的材料轉(zhuǎn)化。通過(guò)在沉淀步驟之前選擇性地將金屬離子注入水凝膠的某些區(qū)域，研究人員創(chuàng)建了帶有嵌入式驅(qū)動(dòng)區(qū)的多材料結(jié)構(gòu)。

演示裝置包括一個(gè)帶有磁性接頭的擺錘，可使用外部磁鐵旋轉(zhuǎn)，以及一個(gè)彈簧結(jié)構(gòu)，響應(yīng)行為由填料的放置驅(qū)動(dòng)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人、交互式設(shè)備或具有特定場(chǎng)地功能的智能結(jié)構(gòu)，所有這些都可以作為一體式打印，無(wú)需組裝。

△演示設(shè)備。圖片來(lái)自ACS Materials Lett

樹(shù)脂配方的后制造轉(zhuǎn)化

VAM方法并非在打印過(guò)程中開(kāi)發(fā)新的樹(shù)脂混合物來(lái)容納填料，而是通過(guò)應(yīng)用后制造化學(xué)來(lái)重新定義問(wèn)題。單一的水凝膠配方成為用于不同復(fù)合功能的模塊化平臺(tái)，從而簡(jiǎn)化了材料開(kāi)發(fā)流程。

盡管受到多次輸注循環(huán)過(guò)程中降解的限制，作者建議改用化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的聚合物，以支持更高性能的應(yīng)用。

△多材料彈簧演示。來(lái)自ACS Materials Lett.

更廣泛的影響和未來(lái)方向

這項(xiàng)研究有望在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、傳感器、機(jī)器人和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域開(kāi)啟新的應(yīng)用可能性，因?yàn)檫@些領(lǐng)域都需要多功能材料和幾何自由度。這種基于灌注的方法也與其他依賴樹(shù)脂透明度的VAM平臺(tái)兼容，包括多光子光刻技術(shù)。

相關(guān)工藝已申請(qǐng)專利，以上動(dòng)圖展示了對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制，凸顯了潛力。隨著體積打印的不斷發(fā)展，這種水凝膠注入方法可能會(huì)改變行業(yè)對(duì)功能材料集成的處理方式。

體積和基于水凝膠的增材制造技術(shù)不斷發(fā)展

近年來(lái)，體積增材制造 (VAM) 技術(shù)發(fā)展迅速。今年早些時(shí)候，EPFL 的研究人員推出了一款基于 MEMS 的全息 VAM 平臺(tái)，利用微鏡來(lái)提高分辨率、能效和可擴(kuò)展性，為斷層掃描打印系統(tǒng)帶來(lái)了極具潛力的升級(jí)。此外，Xolo 推出的Xube²體積打印機(jī)擴(kuò)展了 Xolography 的商業(yè)潛力，支持從軟材料到光學(xué)器件的各種應(yīng)用。

與此同時(shí)，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)開(kāi)發(fā)了VAM 自動(dòng)曝光系統(tǒng)，通過(guò)補(bǔ)償可變的樹(shù)脂特性和減少固化過(guò)程中的過(guò)度曝光來(lái)改善過(guò)程控制。

Ji等人的最新研究彌補(bǔ)了這些進(jìn)展的不足，解決了一個(gè)關(guān)鍵的材料限制：傳統(tǒng)VAM工藝與復(fù)合樹(shù)脂的不兼容性。通過(guò)實(shí)現(xiàn)打印后灌注和原位納米顆粒合成，研究人員引入了一種在VAM工作流程中生產(chǎn)功能性復(fù)合材料（包括磁性、導(dǎo)電性和空間可編程結(jié)構(gòu)）的實(shí)用方法。