体积增材制造技术取得突破，可通过水凝胶导流生产复合材料

2025-07-18 19:33:41 VAM,体积添加制造

洛桑联邦理工学院（EPFL）和乌普萨拉大学（Uppsala University）的研究人员开发出一种新技术，能够通过体积添加制造（VAM）制造复合材料，克服了该领域长期存在的局限性。该研究发表在《ACS Materials Letters》上，展示了打印后水凝胶注入如何将透明的 VAM 打印部件转化为高填充物含量的功能复合材料。

克服 VAM 中的透明度限制

VAM 工艺要求光线干净地穿过树脂槽，以体积方式聚合结构。这就限制了透明光聚合物的材料选择，并排除了会散射光线的填料。因此，复合树脂大多与当前的 VAM 技术不兼容。

为了解决这个问题，研究小组采用了 Xolography 技术，这是一种 VAM 方法，利用相交的光束来确定大桶内的聚合区。他们没有使用填充树脂进行印刷，而是先印刷透明水凝胶，然后在印刷后注入金属离子。然后通过化学沉淀在原位形成复合填料，从而在不影响印刷质量的情况下制作出磁性和导电部件。

水凝胶到复合材料的工艺示意图。图片来自 ACS Materials Lett.

具有可调特性的磁性和导电复合材料

研究人员展示了两种主要应用；使用铁盐和氨在水凝胶中生长磁性氧化铁纳米粒子（IONPs）。鉴于光散射填料在 VAM 中通常只有 0.5 wt% 的限制，该研究实现了高达 65 wt% 的负载量，这是一个重要的里程碑。此外，还通过还原注入的硝酸银制造出了银纳米粒子复合材料，产生了能够关闭 LED 电路的导电结构。

磁性复合材料的表征。图片来自 ACS Materials Lett.

通过改变温度、注入时间和反应循环次数，可以调整磁强度、导电性和机械性能等特性。虽然较高的温度可以提高磁化率，但同时也会降低结构的完整性，从而在性能和耐用性之间做出权衡。

导电银复合材料。图片来自 ACS Materials Lett.

多材料和空间受控结构

该研究最具创新性的一点是展示了空间局部材料转化。通过在沉淀步骤之前有选择性地在水凝胶区域注入金属离子，研究人员创造出了具有嵌入式致动区的多材料结构。

演示装置包括一个带有磁性接头的摆锤，可使用外部磁铁进行旋转，以及一个由填充物位置驱动响应行为的弹簧结构。这种方法可以实现软机器人、互动设备或具有特定功能的智能结构，所有这些都是作为一个整体打印出来的，无需组装。

演示装置。图片来自 ACS Materials Lett.

树脂配方的制造后转化

这种方法不是在印刷过程中开发新的树脂混合物来适应填料，而是通过应用制造后化学反应来重构问题。单一的水凝胶配方成为不同复合功能的模块化平台，从而简化了材料开发流程。

虽然在多次导流过程中会出现降解，但作者建议改用化学性质更强的聚合物，以支持更高性能的应用。

更广泛的影响和未来方向

这项研究可以为生物医学设备、传感器、机器人和电子学领域带来新的可能性，因为在这些领域中，多功能材料和几何自由度至关重要。这种基于导流的方法还与其他依赖树脂透明度的 VAM 平台兼容，包括多光子光刻技术。

该工艺已申请专利，支持视频展示了对打印复合材料结构的远程控制，强调了其潜力。

随着体积打印技术的不断发展，这种水凝胶导流方法可能会改变业界处理功能材料集成的方式。

基于体积和水凝胶的增材制造不断发展

近年来，体积增材制造（VAM）得到了快速发展。今年早些时候，EPFL 的研究人员推出了基于 MEMS 的全息 VAM 平台，该平台利用微型镜片提高了分辨率、能效和可扩展性，为断层打印系统的升级提供了希望。另外，Xolo 公司推出的 Xube² 体积打印机扩展了 Xolography 的商业潜力，支持从软材料到光学的各种应用。

与此同时，加拿大国家研究委员会还开发了一套用于 VAM 的自动曝光系统，通过补偿树脂的不同特性和减少固化过程中的过度曝光，改进了工艺控制。

Ji 等人的最新研究解决了一个关键的材料限制问题：传统 VAM 工艺与复合树脂不兼容，从而补充了上述研究进展。通过实现印后导流和原位纳米粒子合成，研究人员在 VAM 工作流程中引入了一条生产功能复合材料（包括磁性、导电和空间可编程结构）的实用途径。