研究人员开发一种双波长树脂系统实现3D打印可降解支撑结构，无需手动拆除

2025年7月8日，南极熊获悉，劳伦斯利弗莫尔国家实验室与加州大学圣巴巴拉分校的研究人员开发了一种用于数字光处理（DLP）3D 打印的双波长树脂系统。这项研究展示了一种创新的“一锅法”树脂配方，它能够同时打印出永久性结构和可降解支撑。这项技术的优势在于无需更换树脂或进行手动支撑移除，这大大简化了打印过程。

△通过双波长负片成像(DWNI)对无支撑结构进行增材制造，无需手动去除支撑，同时保持打印保真度和结构完整性

针对无支撑几何形状的单一解决方案

在3D打印中，无支撑结构如悬垂、桥梁和自由浮动元素通常需要额外的支撑结构，这些支撑通常使用相同的材料打印，并且需要手动移除。这个过程不仅可能会损坏部件，还限制了设计的自由度。为了克服这些难题，研究人员开发了一种单树脂系统，该系统能够响应两种不同波长的光：紫外线（365 nm）和可见光（405 nm）。紫外线用于固化环氧树脂，形成最终的永久性结构；而可见光则用于固化（甲基）丙烯酸酯，形成可降解的支撑结构。在打印和热后处理完成后，支撑结构可以通过在碱性水溶液中降解的方式去除，确保了原始结构的完整性。

△相关研究已发表在《ACS Central Science》期刊上，题目为“可降解热固性材料支撑体的双波长同步图案化，用于一锅嵌入式3D打印”（传送门）

定制双波长DLP打印机

这项技术进步的核心在于合著者Bryan Moran开发的专利双波长负像（DWNI）DLP打印机。这种打印机仅使用一个数字微镜装置（DMD）即可同时投射紫外光和可见光。通过精确控制微镜的倾斜角度，系统能够选择性地将不同波长的光投射到每个像素上，实现了在同一层上对两种材料进行图案化，避免了光学重叠的问题。

相较于传统的顺序双波长系统，这种配置能够将打印时间缩短多达50%，同时消除了在多个DMD之间进行对准的需求。此外，它还能够同时曝光结构区域和支撑区域，从而显著提升了打印的分辨率。

△双波长负像和图案图像

优化树脂化学和打印性能

新树脂配方融合了环氧单体（赋予结构刚性）与甲基丙烯酸化癸二酸（MSA，用于形成可降解的支撑）。实时傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析确认，可见光选择性地聚合了(甲基)丙烯酸酯网络，而紫外光则触发了阳离子和自由基聚合反应，生成了坚固的环氧基质。

通过热后处理，环氧树脂的转化率得到了提升。基底的降解过程有效移除了牺牲结构，且未对主要部件造成损害。尽管降解后交联密度下降了35%，机械性能测试显示，以环氧树脂为主的最终部件仍然保持了较高的模量。

△打印的结构中，永久性特征用蓝色表示，可降解特征用粉色表示

具有可溶解支撑的复杂几何形状

研究人员为了验证这种方法的性能，设计并打印了多个复杂结构，例如互锁环、笼中球以及包裹两个球体的螺旋结构。这些结构中的可降解支撑在打印过程中提供了必要的稳定性，且在固化后可以轻松移除。

采用双波长技术不仅提升了形状保真度，还改善了表面光洁度。即使在支撑结构降解后，表面粗糙度依然保持在较低水平。分辨率测试进一步证明了该方法的精确性和有效性。

总的来说，这项光聚合技术的最新创新，通过波长选择性树脂系统，实现了支撑结构的自动降解与去除，无需更换树脂或手动拆除支撑，大大简化了3D打印过程。该方法能够直接打印复杂的无支撑几何结构，为自由形态增材制造带来了新的可能性。尤其在生物医学、流体力学和航空航天等对内部特征和精密结构有较高要求的领域，这项技术展现出广阔的应用前景。