Nature子刊：弗萊堡大學(xué)工程師開發(fā)出嵌入式擠壓和體積固化的單步多材料3D打印

2025年7月25日，南極熊獲悉，弗萊堡大學(xué)的研究人員推出了一種體積3D打印工藝，能夠在單個固化步驟中生產(chǎn)復(fù)雜的多材料部件和微尺度內(nèi)部通道。

這項名為“嵌入式擠出-體積打印”（EmVP）的方法已在《自然通訊》上發(fā)表的一篇題為“Additive manufacturing of multi-material and hollow structures byEmbedded Extrusion-Volumetric Printing”的同行評審研究中進(jìn)行了詳細(xì)介紹，它將嵌入式3D打印（EMB3D）與斷層掃描體積增材制造（TVAM）相結(jié)合，無需更換料桶或打印后校準(zhǔn)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62057-6

EmVP工藝在投影之前將一種材料嵌入到另一種材料中，使用 EMB3D 將墨水沉積到光聚合支撐槽中。然后使用 TVAM 同時聚合兩種材料。為了實現(xiàn)同步，弗萊堡團(tuán)隊設(shè)計了兩種材料的凝膠時間，使其趨于一致：嵌入的高模量墨水（Mat 1）為 59.8 秒，低模量支撐槽（Mat 2）為 64.7 秒。每種樹脂均用 Aerosil R805 改性，以形成適用于擠出和體積固化的觸變性基質(zhì)。折射率差異被最小化，以減少曝光過程中的光散射。

△使用支撐槽的正負(fù)嵌入式擠壓體積打印 (EmVP) 打印工藝示意圖。圖片來自《自然通訊》。

墊片 1 以己二醇二丙烯酸酯(HDDA) 為基體，肖氏 D 硬度為 27.4，彈性模量為 122 MPa。墊片 2 以Genomer 1122TF 為基體，肖氏 D 硬度為4.9，彈性模量為 1.28 MPa。為防止打印過程中出現(xiàn)沉淀，兩種樹脂的增稠度均超過 2000 mPa·s。剪切力消除后，墊片 1 的恢復(fù)時間為 4.7 秒，墊片 2 的恢復(fù)時間為1.7 秒，從而實現(xiàn)了精確的油墨沉積和穩(wěn)定。紫外-可見光譜法證實，兩種材料在 TVAM 設(shè)置中使用的 450 nm 投影波長下均保持了足夠的透射率。

通過 EmVP 制造的多材料部件包括堆疊的雙硬度球體、嵌入柔性圓柱壁的細(xì)絲，以及由剛性嵌入環(huán)加固的軟殼組成的執(zhí)行器。EMB3D 實現(xiàn)的嵌入細(xì)絲直徑為 175 微米。其中一個結(jié)構(gòu)以羅丹的“思想者”為原型，置于嵌入軟樹脂主體的剛性平臺上，變形測試證實了選擇性機(jī)械響應(yīng)。通過微 CT 測定，打印幾何形狀與模型幾何形狀之間的平均豪斯多夫距離為 0.23 ± 0.28毫米，證明了體積材料轉(zhuǎn)變的空間保真度。

△采用正片EmVP 工藝打印的部件選型。圖片來自《自然通訊》。

除了正向材料集成外，研究人員還使用犧牲油墨來形成嵌入式空隙。這種工藝被稱為負(fù)向EmVP，通過在體積固化后沖洗掉非光聚合性油墨，可以直接制造空心微通道。團(tuán)隊使用Pluronic PE3100作為犧牲相，打印了Y型連接芯片和螺旋圓柱形設(shè)計，內(nèi)徑小至119微米。這一分辨率超過了獨(dú)立TVAM系統(tǒng)500微米的分辨率下限，而過度固化和擴(kuò)散效應(yīng)通常會限制負(fù)向特征的保真度。通道直徑通過15微米體素分辨率的microCT掃描進(jìn)行驗證。

與順序多材料體積打印 (SMVP) 相比，EmVP 無需額外的支撐結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的機(jī)械定位或雙波長投影系統(tǒng)。SMVP 要求每次固化一種材料，然后更換打印槽并進(jìn)行對準(zhǔn)。相比之下，弗萊堡大學(xué)的 EmVP 技術(shù)則在一個體積打印步驟中完成所有固化過程，嵌入的材料通過周圍介質(zhì)的流變特性固定到位。

△負(fù)向EmVP 工藝用于打印帶有小通道的 3D 微流體芯片。圖片來自《自然通訊》。

EmVP 的先前實現(xiàn)僅限于套印，即將一種材料完全包裹在另一種材料中。本研究擴(kuò)展了這一技術(shù)，實現(xiàn)了由不同材料組成的暴露且空間不同的區(qū)域。通過僅沉積必要的最小墨水量，研究人員最大限度地減少了滲出偽影并縮短了 EMB3D 打印時間。這種選擇性沉積與投影優(yōu)化相結(jié)合，使用對象空間模型優(yōu)化(OSMO)，優(yōu)化通過比例積分直方圖均衡化進(jìn)行改進(jìn)。投影計算通過體素化 3D 模型、進(jìn)行正向投影以模擬光路，并迭代調(diào)整劑量分布以匹配目標(biāo)幾何形狀。

為了在不重新設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)工藝規(guī)�；�，團(tuán)隊優(yōu)先考慮將吸收率更高的材料嵌入少數(shù)相，使凸起能夠固化整個結(jié)構(gòu)而不會吸收過多的能量。這種設(shè)置能夠在不減小像素尺寸或增加系統(tǒng)復(fù)雜性的情況下保持分辨率。對于微通道生產(chǎn)，EmVP 通過在 EMB3D 過程中控制針頭直徑，將通道分辨率與像素密度分離，從而實現(xiàn)比TVAM 單獨(dú)實現(xiàn)的更精細(xì)的內(nèi)部特征。

△本研究中使用的支撐槽和油墨的光流變性、流變性和光學(xué)特性。圖片來自《自然通訊》。

EmVP 擴(kuò)展了體積系統(tǒng)中可打印架構(gòu)的范圍，支持異構(gòu)機(jī)械特性和嵌入式微流體幾何結(jié)構(gòu)。應(yīng)用領(lǐng)域包括軟機(jī)器人、功能部件原型設(shè)計和芯片實驗室設(shè)備。該技術(shù)可在傳統(tǒng)的基于 LCD 的 TVAM 硬件上運(yùn)行，無需使用波長選擇性樹脂或硬件增強(qiáng)。它能夠在單個體積打印步驟中同時生成正負(fù)特征，為可擴(kuò)展的多材料增材制造開辟了一條發(fā)展方向。