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导读：近年来，增材制造彻底改变了材料和设备的制造方式，突破了设计复杂性和材料功能的界限。在众多开发的技术中，直接墨水写入 (DIW) 3D 打印因其在处理从软水凝胶到高性能热固性材料等各种材料方面的多功能性而备受关注。该领域最具挑战性的前沿之一是在打印过程中精确控制聚合过程，特别是对于通过正面聚合机制固化的热固性聚合物。
2025年8月19日，南极熊获悉，由Mejia等人领导的研究人员开发了一种用于热固性聚合物直接墨水写入（DIW）3D打印的实时监控系统。这套系统解决了打印过程中聚合过程的控制难题，特别是对于通过正面聚合机制固化的热固性材料。
这项突破性进展最近以题为“Real-time processmonitoring and automated control for direct ink write 3D printing of frontallypolymerizing thermosets”的论文发表在《npj AdvancedManufacturing》。研究引入了一种实时过程监控和自动控制系统，可以解决这种复杂性，有望提高 DIW 打印热固性部件的保真度和功能性能。
热固性材料是指经历不可逆固化反应的聚合物，交联网络具有优异的机械强度、热稳定性和耐化学性，这些特性对于航空航天、汽车和生物医学行业至关重要。然而，由于前沿聚合反应快速且通常放热，通过3D打印制造热固性材料极其困难，这可能导致固化不均匀、缺陷和结构完整性受损。传统的监测方法无法捕捉到这种前沿的复杂动态，使得在打印过程中进行实时调整几乎不可能。Mejia及其同事提出的创新技术将先进的传感器技术与控制算法相结合，以监测聚合前沿的扩展，从而能够立即进行干预以保持最佳加工条件。
此项研发的核心在于热监测和光学监测模式的结合，旨在捕捉固化前沿的时空演变。红外热成像技术提供非接触式温度测绘，这对于检测正在发生放热聚合的区域至关重要。同时，光学传感器跟踪材料透明度或颜色的变化，这些变化与转化率相关。这些数据集被输入闭环控制系统，可动态调整打印参数，例如油墨挤出速率、沉积温度和打印头速度。通过将聚合前沿保持在所需的反应动力学和热梯度范围内，监测系统可减轻常见的打印缺陷，例如空隙形成、翘曲或固化不完全。
△在DIW 3D 打印过程中，将热变色染料添加到热固性聚合物树脂中，以便进行简单的聚合物前端检测。
集成此类实时监控的技术挑战并非易事。聚合前沿的传播时间可能在几毫秒到几分钟内，具体取决于材料配方和打印条件，这为响应控制创造了一个狭窄的时间窗口。此外，打印环境通常涉及复杂的几何形状和不同的层厚，因此需要一个能够在不规则表面上精确采集数据的多功能传感阵列。Mejia 等人设计了一个模块化传感器组件，安装在打印喷嘴附近，将热输入和光输入与沉积区域精确对准，从而确保了高保真的时间和空间分辨率。这种配置允许连续监控，而不会妨碍打印过程或损害新生聚合物的结构完整性。
监测方法的关键之一是将机器学习算法集成到控制回路中。传统的控制系统依赖于预定阈值或经验模型，这些模型不适合处理前端聚合的随机性，因为温度或成分的轻微偏差都可能极大地改变结果。通过对各种聚合曲线进行训练，监控系统可以预测不同条件下前端的进展，从而进行预测性调整，预先解决不稳定因素或缺陷。这种自适应控制不仅提高了材料的一致性，还显著减少了打印时间和材料浪费，从而提高了整体制造效率。
△用于自动聚合前沿检测的计算机视觉方法。
除了直接的制造效益外，这项研究的意义还延伸至材料科学与工程设计领域。通过控制前端聚合动力学，可以通过空间操控固化速率和交联密度，定制打印热固性材料中的微观结构特征。这种能力可以产生具有局部性能特征的功能梯度材料，例如增强承重区域的韧性或优化热敏部件的导热性。Mejia 及其同事设想将他们的系统应用于制造下一代智能复合材料，其中精确的微观结构控制对于多功能性至关重要。
在实际应用中，这套实时监测系统已在一系列常用于工业DIW工艺的丙烯酸酯基热固性油墨上进行了演示。作者精心校准了传感器响应，并通过机械测试、热分析和显微镜检查，将打印的原型与传统固化的原型进行比较，验证了闭环控制。结果显示，固化均匀性、机械强度和尺寸精度均有显著改善，证实了这种方法的稳健性和可扩展性。此外，增强的控制能力使得复杂的悬垂结构和网格结构能够成功打印，而这些结构此前由于过早凝胶化或热失控而无法实现，这凸显了实时监测技术的变革潜力。
同样重要的是，这一进展在增材制造领域具有更广泛的应用背景。实时过程监控和自适应控制正迅速成为3D打印部件在安全关键型应用中大规模应用的先决条件。尽管付出了巨大的努力，但很少有方法能够在热固性系统中实现实时反馈和材料响应控制的综合，而Mejia等人的研究则有力地填补了这一空白。通过展示一个可部署的传感器驱动平台，这项研究不仅促进了学术界的理解，也为直接浸润式3D打印在高性能聚合物制造中的工业应用指明了切实可行的方向。
监测系统的可扩展性和模块化设计进一步提升了吸引力。架构采用现成的组件和开源软件框架设计，可以轻松集成到现有的工业3D打印机中，无需高昂的改造成本。研究人员强调，他们的传感器组件和控制算法可以针对其他进行热激活反应的材料系统进行定制，例如硫醇-烯点击化学或环氧基网络，从而拓宽了与直接水（DIW）工艺兼容的适用化学范围。这种适应性使他们的工作成为构建响应式增材制造未来的基础。
△针对不同打印场景和树脂配方的自动聚合前沿速度检测和表征。
从可持续性的角度来看，增强的工艺控制可带来显著的环境效益。通过最大限度地减少材料浪费、降低成型失败率并实现高效的固化循环，该系统有助于降低能耗和原材料用量——这对于正在努力应对生态足迹的制造业来说，是一个日益重要的考量因素。此外，该系统能够精细调节聚合反应，从而能够加入通常动力学不稳定的生物基单体或再生原料，从而在不影响性能或可靠性的情况下，促进更环保的材料选择。
本项研究的一个显著方面是探索工艺参数与最终力学性能在多个尺度上的相互作用。作者利用基于同步加速器的X射线断层扫描和纳米压痕技术，将实时监测的固化行为与最终网络形态和微尺度刚度分布关联起来。这些见解阐明了受控的前端聚合如何规避常见的异质性，例如微孔和不完整的网络形成，从而为性能更佳的复合材料铺平了道路，因为界面粘附力和网络均匀性决定了苛刻条件下的结构完整性和寿命。
△使用不同的 FP 墨水自动进行自由形式 3D 打印弹簧，尽管前端聚合速率不同，但仍可实现相同的几何形状和弹簧常数。
至关重要的是，作者还探讨了潜在的局限性和未来发展方向。虽然他们的系统显著提高了直接墨水书写（DIW）打印过程中对正面聚合的控制，但在扩展到多材料沉积策略或涉及嵌入式电子器件的制造（固化动力学与器件功能相互作用）方面仍然存在挑战。为了克服这一挑战，正在进行的研究重点是整合包括声发射和介电谱在内的多模态传感方法，同时通过扩展涵盖多种化学成分和环境条件的数据集来提升机器学习模型的预测能力。
展望未来，Mejia等人的创新成果将带来范式转变，使增材制造超越基于静态工艺参数的传统反复试验方法，拥抱动态、自调节的制造环境。这些能力对于实现个性化医疗植入物、航空航天级轻量化结构以及复杂工程的软体机器人等预期应用至关重要，因为这些应用需要精确控制嵌入聚合物基质中的机械、热和功能梯度。
总而言之，这项研究代表着材料化学、传感器技术和自动化技术在克服热固性材料增材制造领域长期存在的障碍方面迈出了关键一步。通过在正面聚合热固性材料的直接墨水书写打印过程中实现实时监控和反馈控制，Mejia 及其同事为精密制造树立了新标准，有望加速依赖先进聚合物材料的多个领域的创新。
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