麻省理工开发新型3D打印工艺

助听器、口腔防护垫、牙科植入体等高定制化构件，常采用3D打印技术制造。这些构件通常通过光固化成型技术（vat photopolymerization）生产——该工艺利用光线图案逐层固化树脂成型。此过程需使用同种材料打印支撑结构以固定工件，待成品完全成型后，需人工拆除支撑结构并作为废料丢弃。

使用新型树脂3D打印的微型齿轮，其运转性能与传统材料齿轮完全相同

麻省理工学院工程师发现了一种可跳过最终处理环节的新方法，有望显著加速3D打印流程。他们开发出一种具有光响应双态特性的树脂：紫外线照射时固化为高韧性材料；可见光照射时形成可溶于特定溶剂的临时支撑结构。

研究团队将这种新型树脂，同时暴露于紫外线图案（用于形成坚固结构）和可见光图案（用于形成支撑结构）中。无需费力地拆除支撑结构，他们只需将打印材料浸入溶液，即可溶解支撑部分，留下坚固的紫外线固化部件。

研究人员开发出一种具有光响应特性的树脂，其固化形态取决于照射光源类型：紫外线照射时固化为高强度固体（用于构建目标结构）；可见光照射时形成可溶性固体（作为可溶解支撑材料）

这些支撑结构可溶于多种食品级溶液（包括婴儿油）。有趣的是，支撑材料甚至能溶于树脂的主要液态成分中，就像冰块溶于水一样。这意味着用于打印支撑结构的材料可实现持续回收利用：当打印结构的支撑材料溶解后，该混合物可直接掺入新树脂中，用于打印下一批零件及其可溶性支撑结构。

研究人员应用这种新方法打印了多种复杂结构，包括功能性齿轮组和精密晶格结构。

研究生Nicholas Diaco表示：现在只需单次打印，就能制造含活动部件或互锁结构的复合功能组件，且支撑材料可轻松冲洗去除。这些材料无需丢弃，可现场回收再利用，大幅减少废料产生——这正是我们追求的终极目标。

该团队在最新发表于《先进材料技术》期刊的论文中详述了此项新工艺。麻省理工学院研究合著者包括：Carl Thrasher、Max Hughes、Kevin Zhou、Michael Durso、Saechow Yap、Robert Macfarlane教授，以及机械工程系主任A. John Hart教授。

废料处理

传统的光固化成型技术，始于待打印结构的三维数字模型（例如两个相互咬合的齿轮）。除了齿轮本身，模型还包含齿轮周围、底部及之间的支撑结构，以确保打印过程中每个部件的位置稳定。随后，该数字模型被分层切片，数据被传输至光固化成型打印机进行打印。

标准光固化成型打印机配备有一个装有液态树脂的料槽，其下方设有光源。模型的每一层切片被转化为对应的光图案，投射到液态树脂上，使其固化成相同结构。层层叠加后，齿轮和支撑结构的实体模型在打印平台上成型。

打印完成后，平台将成品抬升出树脂槽。冲洗掉多余树脂后，操作人员需手动移除中间支撑结构（通常通过剪切和打磨），而这些支撑材料最终会被丢弃。Nicholas Diaco指出：这些支撑结构绝大部分最终都会成为废料。

打印与浸泡

Diaco及其团队寻求一种方法来简化和加速打印支撑结构的去除过程，并理想地实现其回收利用。他们提出了一种树脂的通用概念，这种树脂根据所接受的光线类型可呈现两种相态：一种是能形成所需3D结构的坚固相，另一种是作为支撑材料但又能轻易溶解的次生相。

经过化学配比研究后，团队发现可以通过混合两种市售单体（许多塑料中都含有的化学基础成分）来制造这种双相树脂。当紫外线照射混合物时，单体相互连接形成紧密交联的网络，构成抗溶解的坚硬固体。而当同一混合物暴露于可见光时，虽然单体同样会固化，但在分子尺度上，形成的单体链仍保持相互分离状态。这种固体置于特定溶液中时可快速溶解。

在使用装有新型树脂的小型试管进行的实验台测试中，研究人员发现该材料确实能分别响应紫外线和可见光转化为不溶性和可溶性形态。然而，当他们改用LED光源较实验台装置更弱的3D打印机时，紫外线固化的材料在溶液中会解体。较弱的光照仅使单体链部分连接，导致其结构过于松散而无法保持完整。

Diaco及其同事发现，添加少量第三种“桥接”单体可在紫外光作用下将原有两种单体连接起来，将其编织成更为坚固的网状结构。这一改进使得研究人员能够通过定时交替发射紫外光和可见光，在一次打印过程中同步制造坚固的3D结构和可溶解的支撑物。

研究团队运用新方法打印了多种复杂结构，包括相互啮合的齿轮、精细的晶格结构、方形框架内的球体，以及一个趣味设计——被蛋形支撑物包裹的小恐龙，该支撑物浸入溶液后即溶解消失。

“在打印所有这些结构时，内外都需要支撑网格，”Diaco解释道，“传统方法需要小心谨慎地手工移除这些支撑。而我们的技术表明，可以快速、可持续地打印具有多个活动部件的复杂组件，以及助听器和牙科植入体等精密个性化产品。”

John Hart教授表示：“我们将继续探索这一工艺的极限，并希望开发更多具有这种波长选择特性的树脂，使其具备耐用产品所需的机械性能。结合自动化零件处理和溶解树脂的闭环回收利用，这为实现资源高效、经济实惠的大规模聚合物3D打印开辟了令人振奋的道路。”

该研究获得了香港InnoHK旗下感知与交互智能研究中心、美国国家科学基金会、美国海军研究办公室和美国陆军研究办公室的部分资助。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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