Nature子刊：利用熱-光學(xué)耦合實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)改進(jìn)熱固性材料3D打印

導(dǎo)讀：近年來，增材制造徹底改變了材料和設(shè)備的制造方式，突破了設(shè)計(jì)復(fù)雜性和材料功能的界限。在眾多開發(fā)的技術(shù)中，直接墨水寫入 (DIW) 3D 打印因其在處理從軟水凝膠到高性能熱固性材料等各種材料方面的多功能性而備受關(guān)注。該領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的前沿之一是在打印過程中精確控制聚合過程，特別是對(duì)于通過正面聚合機(jī)制固化的熱固性聚合物。

2025年8月19日，南極熊獲悉，由Mejia等人領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種用于熱固性聚合物直接墨水寫入（DIW）3D打印的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。這套系統(tǒng)解決了打印過程中聚合過程的控制難題，特別是對(duì)于通過正面聚合機(jī)制固化的熱固性材料。

這項(xiàng)突破性進(jìn)展最近以題為“Real-time processmonitoring and automated control for direct ink write 3D printing of frontallypolymerizing thermosets”的論文發(fā)表在《npj AdvancedManufacturing》。研究引入了一種實(shí)時(shí)過程監(jiān)控和自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以解決這種復(fù)雜性，有望提高 DIW 打印熱固性部件的保真度和功能性能。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44334-025-00032-1

熱固性材料是指經(jīng)歷不可逆固化反應(yīng)的聚合物，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性，這些特性對(duì)于航空航天、汽車和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)至關(guān)重要。然而，由于前沿聚合反應(yīng)快速且通常放熱，通過3D打印制造熱固性材料極其困難，這可能導(dǎo)致固化不均勻、缺陷和結(jié)構(gòu)完整性受損。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法無法捕捉到這種前沿的復(fù)雜動(dòng)態(tài)，使得在打印過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整幾乎不可能。Mejia及其同事提出的創(chuàng)新技術(shù)將先進(jìn)的傳感器技術(shù)與控制算法相結(jié)合，以監(jiān)測(cè)聚合前沿的擴(kuò)展，從而能夠立即進(jìn)行干預(yù)以保持最佳加工條件。

此項(xiàng)研發(fā)的核心在于熱監(jiān)測(cè)和光學(xué)監(jiān)測(cè)模式的結(jié)合，旨在捕捉固化前沿的時(shí)空演變。紅外熱成像技術(shù)提供非接觸式溫度測(cè)繪，這對(duì)于檢測(cè)正在發(fā)生放熱聚合的區(qū)域至關(guān)重要。同時(shí)，光學(xué)傳感器跟蹤材料透明度或顏色的變化，這些變化與轉(zhuǎn)化率相關(guān)。這些數(shù)據(jù)集被輸入閉環(huán)控制系統(tǒng)，可動(dòng)態(tài)調(diào)整打印參數(shù)，例如油墨擠出速率、沉積溫度和打印頭速度。通過將聚合前沿保持在所需的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱梯度范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可減輕常見的打印缺陷，例如空隙形成、翹曲或固化不完全。

△在DIW 3D 打印過程中，將熱變色染料添加到熱固性聚合物樹脂中，以便進(jìn)行簡(jiǎn)單的聚合物前端檢測(cè)。

集成此類實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)挑戰(zhàn)并非易事。聚合前沿的傳播時(shí)間可能在幾毫秒到幾分鐘內(nèi)，具體取決于材料配方和打印條件，這為響應(yīng)控制創(chuàng)造了一個(gè)狹窄的時(shí)間窗口。此外，打印環(huán)境通常涉及復(fù)雜的幾何形狀和不同的層厚，因此需要一個(gè)能夠在不規(guī)則表面上精確采集數(shù)據(jù)的多功能傳感陣列。Mejia 等人設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊化傳感器組件，安裝在打印噴嘴附近，將熱輸入和光輸入與沉積區(qū)域精確對(duì)準(zhǔn)，從而確保了高保真的時(shí)間和空間分辨率。這種配置允許連續(xù)監(jiān)控，而不會(huì)妨礙打印過程或損害新生聚合物的結(jié)構(gòu)完整性。

監(jiān)測(cè)方法的關(guān)鍵之一是將機(jī)器學(xué)習(xí)算法集成到控制回路中。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)依賴于預(yù)定閾值或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�，這些模型不適合處理前端聚合的隨機(jī)性，因?yàn)闇囟然虺煞值妮p微偏差都可能極大地改變結(jié)果。通過對(duì)各種聚合曲線進(jìn)行訓(xùn)練，監(jiān)控系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)不同條件下前端的進(jìn)展，從而進(jìn)行預(yù)測(cè)性調(diào)整，預(yù)先解決不穩(wěn)定因素或缺陷。這種自適應(yīng)控制不僅提高了材料的一致性，還顯著減少了打印時(shí)間和材料浪費(fèi)，從而提高了整體制造效率。

△用于自動(dòng)聚合前沿檢測(cè)的計(jì)算機(jī)視覺方法。

除了直接的制造效益外，這項(xiàng)研究的意義還延伸至材料科學(xué)與工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。通過控制前端聚合動(dòng)力學(xué)，可以通過空間操控固化速率和交聯(lián)密度，定制打印熱固性材料中的微觀結(jié)構(gòu)特征。這種能力可以產(chǎn)生具有局部性能特征的功能梯度材料，例如增強(qiáng)承重區(qū)域的韌性或優(yōu)化熱敏部件的導(dǎo)熱性。Mejia 及其同事設(shè)想將他們的系統(tǒng)應(yīng)用于制造下一代智能復(fù)合材料，其中精確的微觀結(jié)構(gòu)控制對(duì)于多功能性至關(guān)重要。

在實(shí)際應(yīng)用中，這套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在一系列常用于工業(yè)DIW工藝的丙烯酸酯基熱固性油墨上進(jìn)行了演示。作者精心校準(zhǔn)了傳感器響應(yīng)，并通過機(jī)械測(cè)試、熱分析和顯微鏡檢查，將打印的原型與傳統(tǒng)固化的原型進(jìn)行比較，驗(yàn)證了閉環(huán)控制。結(jié)果顯示，固化均勻性、機(jī)械強(qiáng)度和尺寸精度均有顯著改善，證實(shí)了這種方法的穩(wěn)健性和可擴(kuò)展性。此外，增強(qiáng)的控制能力使得復(fù)雜的懸垂結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能夠成功打印，而這些結(jié)構(gòu)此前由于過早凝膠化或熱失控而無法實(shí)現(xiàn)，這凸顯了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的變革潛力。

同樣重要的是，這一進(jìn)展在增材制造領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用背景。實(shí)時(shí)過程監(jiān)控和自適應(yīng)控制正迅速成為3D打印部件在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中大規(guī)模應(yīng)用的先決條件。盡管付出了巨大的努力，但很少有方法能夠在熱固性系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋和材料響應(yīng)控制的綜合，而Mejia等人的研究則有力地填補(bǔ)了這一空白。通過展示一個(gè)可部署的傳感器驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，這項(xiàng)研究不僅促進(jìn)了學(xué)術(shù)界的理解，也為直接浸潤(rùn)式3D打印在高性能聚合物制造中的工業(yè)應(yīng)用指明了切實(shí)可行的方向。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了吸引力。架構(gòu)采用現(xiàn)成的組件和開源軟件框架設(shè)計(jì)，可以輕松集成到現(xiàn)有的工業(yè)3D打印機(jī)中，無需高昂的改造成本。研究人員強(qiáng)調(diào)，他們的傳感器組件和控制算法可以針對(duì)其他進(jìn)行熱激活反應(yīng)的材料系統(tǒng)進(jìn)行定制，例如硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)或環(huán)氧基網(wǎng)絡(luò)，從而拓寬了與直接水（DIW）工藝兼容的適用化學(xué)范圍。這種適應(yīng)性使他們的工作成為構(gòu)建響應(yīng)式增材制造未來的基礎(chǔ)。

△針對(duì)不同打印場(chǎng)景和樹脂配方的自動(dòng)聚合前沿速度檢測(cè)和表征。

從可持續(xù)性的角度來看，增強(qiáng)的工藝控制可帶來顯著的環(huán)境效益。通過最大限度地減少材料浪費(fèi)、降低成型失敗率并實(shí)現(xiàn)高效的固化循環(huán)，該系統(tǒng)有助于降低能耗和原材料用量——這對(duì)于正在努力應(yīng)對(duì)生態(tài)足跡的制造業(yè)來說，是一個(gè)日益重要的考量因素。此外，該系統(tǒng)能夠精細(xì)調(diào)節(jié)聚合反應(yīng)，從而能夠加入通常動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的生物基單體或再生原料，從而在不影響性能或可靠性的情況下，促進(jìn)更環(huán)保的材料選擇。

本項(xiàng)研究的一個(gè)顯著方面是探索工藝參數(shù)與最終力學(xué)性能在多個(gè)尺度上的相互作用。作者利用基于同步加速器的X射線斷層掃描和納米壓痕技術(shù)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的固化行為與最終網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和微尺度剛度分布關(guān)聯(lián)起來。這些見解闡明了受控的前端聚合如何規(guī)避常見的異質(zhì)性，例如微孔和不完整的網(wǎng)絡(luò)形成，從而為性能更佳的復(fù)合材料鋪平了道路，因?yàn)榻缑嬲掣搅�和網(wǎng)絡(luò)均勻性決定了苛刻條件下的結(jié)構(gòu)完整性和壽命。

△使用不同的 FP 墨水自動(dòng)進(jìn)行自由形式 3D 打印彈簧，盡管前端聚合速率不同，但仍可實(shí)現(xiàn)相同的幾何形狀和彈簧常數(shù)。

至關(guān)重要的是，作者還探討了潛在的局限性和未來發(fā)展方向。雖然他們的系統(tǒng)顯著提高了直接墨水書寫（DIW）打印過程中對(duì)正面聚合的控制，但在擴(kuò)展到多材料沉積策略或涉及嵌入式電子器件的制造（固化動(dòng)力學(xué)與器件功能相互作用）方面仍然存在挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，正在進(jìn)行的研究重點(diǎn)是整合包括聲發(fā)射和介電譜在內(nèi)的多模態(tài)傳感方法，同時(shí)通過擴(kuò)展涵蓋多種化學(xué)成分和環(huán)境條件的數(shù)據(jù)集來提升機(jī)器學(xué)習(xí)模型的預(yù)測(cè)能力。

展望未來，Mejia等人的創(chuàng)新成果將帶來范式轉(zhuǎn)變，使增材制造超越基于靜態(tài)工藝參數(shù)的傳統(tǒng)反復(fù)試驗(yàn)方法，擁抱動(dòng)態(tài)、自調(diào)節(jié)的制造環(huán)境。這些能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療植入物、航空航天級(jí)輕量化結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜工程的軟體機(jī)器人等預(yù)期應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)檫@些應(yīng)用需要精確控制嵌入聚合物基質(zhì)中的機(jī)械、熱和功能梯度。

總而言之，這項(xiàng)研究代表著材料化學(xué)、傳感器技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)在克服熱固性材料增材制造領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的障礙方面邁出了關(guān)鍵一步。通過在正面聚合熱固性材料的直接墨水書寫打印過程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋控制，Mejia 及其同事為精密制造樹立了新標(biāo)準(zhǔn)，有望加速依賴先進(jìn)聚合物材料的多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新。