Nature子刊：利用熱-光學耦合實時監(jiān)控系統(tǒng)改進熱固性材料3D打印

導讀：近年來，增材制造徹底改變了材料和設備的制造方式，突破了設計復雜性和材料功能的界限。在眾多開發(fā)的技術中，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注。該領域最具挑戰(zhàn)性的前沿之一是在打印過程中精確控制聚合過程，特別是對于通過正面聚合機制固化的熱固性聚合物。

2025年8月19日，南極熊獲悉，由Mejia等人領導的研究人員開發(fā)了一種用于熱固性聚合物直接墨水寫入（DIW）3D打印的實時監(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，特別是對于通過正面聚合機制固化的熱固性材料。

這項突破性進展最近以題為“Real-time processmonitoring and automated control for direct ink write 3D printing of frontallypolymerizing thermosets”的論文發(fā)表在《npj AdvancedManufacturing》。研究引入了一種實時過程監(jiān)控和自動控制系統(tǒng)，可以解決這種復雜性，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)歷不可逆固化反應的聚合物，交聯(lián)網(wǎng)絡具有優(yōu)異的機械強度、熱穩(wěn)定性和耐化學性，這些特性對于航空航天、汽車和生物醫(yī)學行業(yè)至關重要。然而，由于前沿聚合反應快速且通常放熱，通過3D打印制造熱固性材料極其困難，這可能導致固化不均勻、缺陷和結構完整性受損。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法無法捕捉到這種前沿的復雜動態(tài)，使得在打印過程中進行實時調整幾乎不可能。Mejia及其同事提出的創(chuàng)新技術將先進的傳感器技術與控制算法相結合，以監(jiān)測聚合前沿的擴展，從而能夠立即進行干預以保持最佳加工條件。

此項研發(fā)的核心在于熱監(jiān)測和光學監(jiān)測模式的結合，旨在捕捉固化前沿的時空演變。紅外熱成像技術提供非接觸式溫度測繪，這對于檢測正在發(fā)生放熱聚合的區(qū)域至關重要。同時，光學傳感器跟蹤材料透明度或顏色的變化，這些變化與轉化率相關。這些數(shù)據(jù)集被輸入閉環(huán)控制系統(tǒng)，可動態(tài)調整打印參數(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動力學和熱梯度范圍內，監(jiān)測系統(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，以便進行簡單的聚合物前端檢測。

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

監(jiān)測方法的關鍵之一是將機器學習算法集成到控制回路中。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)依賴于預定閾值或經(jīng)驗模型，這些模型不適合處理前端聚合的隨機性，因為溫度或成分的輕微偏差都可能極大地改變結果。通過對各種聚合曲線進行訓練，監(jiān)控系統(tǒng)可以預測不同條件下前端的進展，從而進行預測性調整，預先解決不穩(wěn)定因素或缺陷。這種自適應控制不僅提高了材料的一致性，還顯著減少了打印時間和材料浪費，從而提高了整體制造效率。

△用于自動聚合前沿檢測的計算機視覺方法。

除了直接的制造效益外，這項研究的意義還延伸至材料科學與工程設計領域。通過控制前端聚合動力學，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構特征。這種能力可以產(chǎn)生具有局部性能特征的功能梯度材料，例如增強承重區(qū)域的韌性或優(yōu)化熱敏部件的導熱性。Mejia 及其同事設想將他們的系統(tǒng)應用于制造下一代智能復合材料，其中精確的微觀結構控制對于多功能性至關重要。

在實際應用中，這套實時監(jiān)測系統(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行了演示。作者精心校準了傳感器響應，并通過機械測試、熱分析和顯微鏡檢查，將打印的原型與傳統(tǒng)固化的原型進行比較，驗證了閉環(huán)控制。結果顯示，固化均勻性、機械強度和尺寸精度均有顯著改善，證實了這種方法的穩(wěn)健性和可擴展性。此外，增強的控制能力使得復雜的懸垂結構和網(wǎng)格結構能夠成功打印，而這些結構此前由于過早凝膠化或熱失控而無法實現(xiàn)，這凸顯了實時監(jiān)測技術的變革潛力。

同樣重要的是，這一進展在增材制造領域具有更廣泛的應用背景。實時過程監(jiān)控和自適應控制正迅速成為3D打印部件在安全關鍵型應用中大規(guī)模應用的先決條件。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)中實現(xiàn)實時反饋和材料響應控制的綜合，而Mejia等人的研究則有力地填補了這一空白。通過展示一個可部署的傳感器驅動平臺，這項研究不僅促進了學術界的理解，也為直接浸潤式3D打印在高性能聚合物制造中的工業(yè)應用指明了切實可行的方向。

監(jiān)測系統(tǒng)的可擴展性和模塊化設計進一步提升了吸引力。架構采用現(xiàn)成的組件和開源軟件框架設計，可以輕松集成到現(xiàn)有的工業(yè)3D打印機中，無需高昂的改造成本。研究人員強調，他們的傳感器組件和控制算法可以針對其他進行熱激活反應的材料系統(tǒng)進行定制，例如硫醇-烯點擊化學或環(huán)氧基網(wǎng)絡，從而拓寬了與直接水（DIW）工藝兼容的適用化學范圍。這種適應性使他們的工作成為構建響應式增材制造未來的基礎。

△針對不同打印場景和樹脂配方的自動聚合前沿速度檢測和表征。

從可持續(xù)性的角度來看，增強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、降低成型失敗率并實現(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——這對于正在努力應對生態(tài)足跡的制造業(yè)來說，是一個日益重要的考量因素。此外，該系統(tǒng)能夠精細調節(jié)聚合反應，從而能夠加入通常動力學不穩(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，促進更環(huán)保的材料選擇。

本項研究的一個顯著方面是探索工藝參數(shù)與最終力學性能在多個尺度上的相互作用。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，將實時監(jiān)測的固化行為與最終網(wǎng)絡形態(tài)和微尺度剛度分布關聯(lián)起來。這些見解闡明了受控的前端聚合如何規(guī)避常見的異質性，例如微孔和不完整的網(wǎng)絡形成，從而為性能更佳的復合材料鋪平了道路，因為界面粘附力和網(wǎng)絡均勻性決定了苛刻條件下的結構完整性和壽命。

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

至關重要的是，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）打印過程中對正面聚合的控制，但在擴展到多材料沉積策略或涉及嵌入式電子器件的制造（固化動力學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)，正在進行的研究重點是整合包括聲發(fā)射和介電譜在內的多模態(tài)傳感方法，同時通過擴展涵蓋多種化學成分和環(huán)境條件的數(shù)據(jù)集來提升機器學習模型的預測能力。

展望未來，Mejia等人的創(chuàng)新成果將帶來范式轉變，使增材制造超越基于靜態(tài)工藝參數(shù)的傳統(tǒng)反復試驗方法，擁抱動態(tài)、自調節(jié)的制造環(huán)境。這些能力對于實現(xiàn)個性化醫(yī)療植入物、航空航天級輕量化結構以及復雜工程的軟體機器人等預期應用至關重要，因為這些應用需要精確控制嵌入聚合物基質中的機械、熱和功能梯度。

總而言之，這項研究代表著材料化學、傳感器技術和自動化技術在克服熱固性材料增材制造領域長期存在的障礙方面邁出了關鍵一步。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現(xiàn)實時監(jiān)控和反饋控制，Mejia 及其同事為精密制造樹立了新標準，有望加速依賴先進聚合物材料的多個領域的創(chuàng)新。