新型波长选择固化技术！支持快速、高分辨率3D打印

来源：EFL生物3D打印与生物制造

自然界中的结构多由硬材料和软材料以精确的三维排列组合而成，这种组合赋予了材料独特的性能和功能，而合成材料难以模仿。因此，仿生类似物对硬材料与软界面无缝连接的需求，推动了对创新化学和制造方法的需求。当前多材料3D打印面临诸多挑战，如生产速度慢、产品不稳定或机械性能弱等，且没有一种策略能满足所有关键标准。来自德克萨斯大学奥斯汀分校的Zachariah A. Page教授团队合作开发了一种混合环氧-丙烯酸酯树脂，用于波长选择性多材料3D打印，实现了快速、高分辨率的数字光处理3D打印，所打印的多材料物体具有强度、弹性和耐老化性的独特组合。相关工作以“Hybrid epoxy–acrylate resins for wavelength-selective multimaterial 3D printing”为题发表在《Nature Materials》上。

研究内容
本研究对比了灰度打印、混合树脂多色打印等传统方法与现有技术，系统分析了多材料3D打印策略的差异。研究结果显示：传统方法存在未反应单体残留、收缩应力等固有缺陷，而当前采用混合环氧-丙烯酸酯树脂的多色打印技术，不仅实现了材料间的共价键结合与大跨度机械性能调控，还兼具高打印速率优势，且经检测无明显单体残留问题。该技术通过材料体系创新，有效解决了传统工艺的痛点，为多材料3D打印领域提供了更优的技术路径。

图 1. 多材料3D打印策略对比

通过对树脂组分的分析及实时傅里叶变换红外光谱等方法，研究了树脂在不同波长光照射下的固化行为。结果表明，优化后的树脂在365nm和405nm光照射下能快速聚合，且光系统在紫外光下选择性引发环氧聚合，验证了其适用于DLP 3D打印。

图 2. 树脂组分与波长选择性固化用于多材料制造

通过对不同光固化的测试棒进行拉伸、循环拉伸等试验，研究了其机械性能和热稳定性。结果表明，紫外光固化样品坚硬强韧，紫光固化样品柔软可延展，且紫光固化样品经丙酮洗涤后光稳定性好、弹性高。

图 3. 颜色控制的DLP 3D打印及测试棒的热机械表征

通过光学显微镜、拉伸测试和纳米压痕等方法，研究了多材料打印的分辨率和界面机械性能。结果表明，能实现约200μm的机械梯度分辨率，且通过灰度控制紫外和紫光曝光，可模仿自然结构的刚度梯度。  

图 4. 3D打印多材料物体的分辨率和机械表征

通过制造硬弹簧嵌入软圆柱和膝关节等结构，研究了多材料3D打印在生物启发结构中的应用。结果表明，该方法能创造具有可调压缩阻尼和光滑关节运动的结构，展现了对整体力学的精确控制。

图 5. 生物启发的机械超材料的多材料3D打印

通过有限元分析和数字图像相关等方法，研究了多材料试样的局部变形和可拉伸电子设备性能。结果表明，利用刚度对比可控制局部变形，且刚度高的插入物能在拉伸时保持电子设备功能。

图 6. 多材料拉伸试样的局部变形及在可拉伸电子设备中的应用

研究结论
本研究展示了一种快速、高分辨率的波长选择性3D打印方法，用于制造具有极大机械差异的多材料结构，实现了生物启发模型和可拉伸电子设备的制备。通过创建包含高效光系统的混合环氧-丙烯酸酯树脂，以选择性触发阳离子和自由基聚合，本研究实现了高达1.5毫米/分钟的快速打印，并获得了约200微米的高保真多材料物体。这些结构具有约3000倍的弹性模量差异、高强度（约69兆帕）、可拉伸性（断裂应变>250%）、弹性（90%恢复率，滞后损失<4%），以及在高强度紫外线暴露和超过100°C温度下的稳定性。灰度多色投影可精确控制软硬界面的刚度梯度，模仿0.2至10毫米的自然过渡。该平台为机械超材料的制造开辟了新领域，为弥合理论预测与实际应用之间的差距提供了实验基础。
文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02249-z