科学家利用近红外光开发多材料树脂3D打印新工艺

2023年7月13日，南极熊获悉，英国赫瑞瓦特大学科学家开发出基于近红外光的新型3D打印方法，可实现复杂结构的多材料和多色彩打印。该研究由Jose Marques-Hueso博士领导，赫瑞瓦特传感器、信号与系统研究所参与。

△该研究中使用的多材料打印方法如图 

该团队改进了常用的立体光刻（SLA）3D打印工艺，以实现更大范围的多材料整合。传统的SLA工艺使用蓝色或紫外激光固化液态树脂，逐层构建物体。然而，这种过程无法实现材料的混合。通过新的方法，科学家们采用近红外光源，能够将3D打印技术应用于更深的树脂桶中。研究团队表示，这种创新工艺为专业级零件的3D打印提供了巨大潜力，尤其是在健康和电子领域。

虽然这不是第一种实现多材料3D打印的工艺，熔融沉积成型（FDM）技术长期以来已经具备了多材料打印的能力。然而，科学家们声称他们的新方法能够以更高的分辨率打印多材料零件。

△Jose Marques-Hueso博士（左）和Adilet Zhakeyev博士

赫瑞瓦特大学的Adilet Zhakeyev博士表示，研究团队在该项目上已经研究了近三年。他说：“虽然熔融沉积成型（FDM）技术可以实现材料混合，但分辨率较低，各层可见。而基于光的技术，如立体光刻技术，可以提供分辨率低于5微米的光滑样品。”

该项目名为“通过发光激发进行交联的多材料立体光刻”，获得了工程和物理科学研究委员会（EPSRC）28万英镑（约为261万人民币）的资助。

△该研究成果已发表在《今日应用材料》杂志上，论文题目为“上转换3D打印可实现单浸式多材料立体光刻”（传送门）

新的近红外3D打印工艺

该方法的创新之处在于使用利用近红外（NIR）光在超过5厘米深度进行3D打印，这大幅超越了传统SLA技术的0.1毫米深度限制。Marques-Hueso博士声称这种方法是前所未有的。

这种新工艺的主要优势之一是允许用户先使用一种材料进行3D打印，然后添加第二种材料。第二种材料不仅限于打印物件的顶部和外表面，而且可以在3D空间的任何位置固化。这是因为近红外激光能够穿透原始打印物件的外层。

Marques-Hueso博士解释：“例如，我们可以打印一个四面大部分都是密封的空心立方体。然后，在稍后的时间内，我们可以在这个盒子内部打印由完全不同的材料制成的物体，因为近红外激光会穿透之前的材料，就像它是不可见的一样。实际上，在近红外下，它是完全透明的。"

△新3D打印流程示意图

该项目的关键部分是开发一种工程树脂，其中含有具有光学转换功能的纳米颗粒。这些纳米颗粒吸收近红外光子，并将其转化为蓝光子，从而固化树脂。这种现象是非线性的，意味着它主要发生在激光焦点处，而不是穿过激光焦点的地方。这使得近红外能够深入渗透到材料中，就像它是透明的一样，只固化内部材料。

这种创新的工艺使得在同一样品中可以3D打印具有不同属性的多种材料。例如，柔性弹性体和刚性丙烯酸树脂可以同时打印。科学家们指出了该方法的多种应用，包括腔内3D打印、鞋子制造、破损物体修复以及通过皮肤进行原位生物打印。

研究人员表示，该技术还以其经济实惠而著称，制造成本不到400英镑（约为3732元人民币）。相比于其他使用激光的先进技术，例如双光子聚合（2PP）需要昂贵的超快激光器数万英镑，这种方法提供了更为廉价的解决方案。Marques-Hueso博士表示，他们希望与企业合作，进一步发展这项技术。

△多材料3D打印设备示意

多材料树脂3D打印

Heriot-Watt的方法不是第一个实现多材料树脂3D打印的工艺。去年，BCN3D推出了粘性光刻制造(VLM) 3D打印技术，实现了双材料树脂3D打印的功能。该技术利用紫外光引擎和LCD屏幕，在一次构建中可以3D打印两种不同的树脂。另外，RepRap创始人Adrian Bowyer博士提出了一种SLA多材料3D打印的方法，通过交替使用两种不同的树脂在每一层打印中实现多材料的组合。这些研究进展为多材料3D打印提供了更多选择和可能性。