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Nature子刊！3000倍强度差异的混合树脂实现双波长3D打印
2026-01-07
当我们还在为传统3D打印材料的单一性能发愁时，德州大学奥斯汀分校的研究团队在实验室里搞出了一个新技术。
他们最新发表在《自然材料》期刊上的研究成果让AM易道眼前一亮：
一种混合环氧-丙烯酸树脂系统，能够通过波长选择性的多材料3D打印技术，实现前所未有的强度、弹性和抗老化性能组合。
从仿生到现实的技术跨越
说起来，大自然早就给了我们答案。
自然界中的结构将硬质和软质材料以精确的三维排列组合，赋予了合成技术难以模仿的整体性能和功能。
想想我们的膝关节—坚硬的骨骼与柔韧的韧带完美配合，让我们能够自如地行走奔跑。
德州大学的科研团队正是从这种仿生学思路出发，试图在3D打印领域复制这种神奇的组合。
听起来很复杂？简单说就是一种能够在不同光照条件下表现出完全不同性能的材料。
如图1所示，这种创新方法与传统技术形成了鲜明对比，传统灰度打印和多色打印方法的局限性得到了有效克服，新混合树脂方法实现了高打印速率、低溶胶分数和超过1000倍的刚度差异。
双波长的精妙配合
团队针对365纳米和405纳米LED发射优化了光引发系统，其中365纳米光用于环氧固化，405纳米光用于丙烯酸固化。
不同的光波长能够激活不同的化学反应，从而在同一次打印过程中创造出性能差异巨大的材料区域。
实时傅里叶变换红外光谱分析显示，在365纳米或405纳米LED照射下，快速聚合在约2秒内达到50%转化率。
这种反应速度确保了3D打印的实用性，不会因为复杂的化学过程而拖慢生产效率。
材料性能的差异化表现更令人印象深刻。
UV固化样品形成坚硬强韧的塑料，弹性模量为1700±140 MPa，最大强度为69±6 MPa，断裂伸长率为8±2%。
相比之下，紫光打印样品则表现出柔软可拉伸的特性，弹性模量仅为0.60±0.09 MPa，最大强度为0.78±0.05 MPa，但断裂伸长率高达260±40%。
图2详细展示了树脂组分和波长选择性固化机制，各种化学组分如何在不同波长光照下发生聚合反应的过程一目了然。
性能表现，超越预期的材料组合
让我们用数字说话。这套系统实现了约3000倍的刚度差异，硬质材料强度超过50 MPa，软质材料可承受超过100%的应变，弹性回复率≥90%。
循环拉伸测试显示，紫光打印的样品在100%应变下进行100次循环加载后，表现出>99%的弹性回复率，滞后损失仅约3-4%。
这种性能表现在实际应用中意味着什么？
你可以在一次打印中同时制造出坚硬的骨架结构和柔软的连接部件，而且这些部件之间的界面能够承受反复的机械应力而不失效。
图3清晰地展示了多色DLP 3D打印系统和热机械性能表征，包含了打印系统示意图以及硬质和软质材料的应力-应变曲线，直观地反映了两种材料的性能差异。
分辨率与精度
在分辨率方面，这套系统同样表现出色。
光学显微镜观察显示，交替UV和紫光曝光线条能够实现最小0.25毫米的清晰特征。
更重要的是，纳米压痕测试显示，在软硬界面处，接触模量在约200微米的距离内增加了三个数量级。
通过叠加灰度UV和紫光投影，团队在3D打印条中编程了三种不同的机械梯度，模拟膝关节、牙釉质和鱿鱼喙的刚度变化，跨越约三个数量级的减少模量范围。
图4完整地展示了3D打印多材料物体的分辨率和机械表征，包含了不同线宽的打印结构以及纳米压痕测试结果，证明了系统在微观层面的精确控制能力。
仿生应用：从脊椎到膝关节
研究团队展示的仿生结构应用让人叹为观止。
他们制造了硬质弹簧嵌入软质圆柱体的结构，模拟脊椎的压缩阻尼特性。
压缩测试结果显示，随着弹簧螺距从4毫米减少到2毫米，刚度增加约四倍，在50N载荷下压缩应变分别为28%、18%和8%。
这个缩小版的人体膝关节高约46.5毫米，膝部宽约17.5毫米，最小特征（韧带/肌腱）直径约0.6毫米。
硬质的股骨、髌骨和胫骨使用UV光固化，而软质可拉伸的肌腱和韧带则通过紫光同步打印完成。
图5生动地展示了仿生机械超材料的3D打印应用，包含了压缩阻尼结构和梯度关节结构的设计与测试结果，充分体现了这项技术在仿生制造领域的巨大潜力。
可拉伸电子学的新可能
在可拉伸电子学应用方面，这套系统展现出了巨大的潜力。
FEA仿真显示，在30%全局单轴应变下，增加插入物刚度可将局部应变减少到约4%（10倍）、约0.5%（100倍）和约0.05%（1000倍）。
最终的概念验证相当吸引人，研究团队在1倍和1000倍样品的中央插入物上沉积金并连接白色LED，当拉伸到30%全局应变时，1倍样品断裂导致电路断开LED熄灭，而1000倍样品保持完整。
图6详细展示了多材料拉伸试样中的局部变形控制，包含了FEA仿真结果和可拉伸LED器件原型的测试，为可拉伸电子学应用提供了有力的技术支撑。
写在最后
当前工艺的一个关键限制是需要大量溶剂清洗来确保长期材料稳定性，这对于软材料完全封装在刚性结构内的设计尤其相关。
AM易道认为，这项研究给3D打印多材料制造提供了新思路，在软体机器人、密封件、假肢和可穿戴健康监测设备等应用领域，这种能够在单次打印中实现极大性能差异的技术将带来显著的优势。
未来的扩展功能特性不局限于机械性能，包括热学、电学和光学可调性，将进一步拓展这项技术的应用边界。
说到底，当3D打印机能在一次作业中同时产出像钢铁般坚硬和像橡胶般柔软的部件时，那些原本需要复杂装配的产品设计将被再次被3D打印代替和数字化升级。
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