EPFL研究团队发布创新的水凝胶3D打印技术，通过多次注入–沉淀循环，实现陶瓷与金属结构的低收缩高密度成型。相比传统光固化打印，本方法将收缩率降至20%，密度提升至80%以上，有效解决了金属和陶瓷3D打印易变形、易开裂的问题，为高精度医疗器械、能源材料及功能结构件制造开辟新方向。
洛桑联邦理工学院（EPFL）团队在槽式光固化（Vat Photopolymerization, VP）领域取得突破，展示了一种基于水凝胶的技术，使得陶瓷与金属的3D打印实现了前所未有的低收缩率
2025年9月24日发表在《Advanced Materials》期刊上的一项研究显示，研究人员提出了一种基于水凝胶的增材制造技术，通过反复的注入–沉淀（infusion–precipitation）循环，将打印的水凝胶模板转化为致密的、可设计结构的陶瓷与金属部件，其整体收缩率低至20%，材料致密度超过80%。
克服槽式光固化的局限性
槽式光固化（Vat Photopolymerization，VP）是最常用的高分辨率聚合物增材制造技术之一，以其出色的打印精度与快速的构建速度而著称。然而，将VP技术扩展至陶瓷与金属材料领域一直面临重大挑战。
传统方法通常依赖于填充颗粒的浆料（slurry），即将陶瓷或金属粉末与光敏树脂混合。这种方案在理论上可行，但会导致浆料黏度升高、光散射增强，从而难以实现精细特征结构，并常常导致表面质量欠佳。
另一种方案是所谓的“混合光敏树脂”（hybrid photoresin）方法，即将无机组分直接嵌入树脂分子结构中。这种方法在打印性方面表现更好，但限制了材料成分的多样性与可调性。
a) 基于水凝胶的注入–沉淀工艺示意图，用于实现陶瓷与金属的槽式光固化打印。
b) 采用该注入–沉淀VP工艺制造的金属氧化物与金属的光学显微图。
图片来源：Daryl Yee 等 / EPFL。
一种更具通用性的替代方案是使用水溶性金属盐溶液。此法不仅允许更广泛的材料选择，还能避免光散射问题。然而，它存在一个关键缺陷——在热转化过程中会出现极端收缩。
结构体在烧结时可能会收缩 50% 至 90%，导致翘曲、裂纹及多孔性，从而严重削弱机械完整性。这种“收缩问题”一直是阻碍VP技术在高致密度陶瓷和金属部件中实际应用的最大障碍。
基于水凝胶的注入–沉淀过程
为克服上述局限，EPFL研究团队开发了一种将“打印”与“材料加载”解耦的创新流程。
研究人员首先使用标准的数字光处理（DLP）技术打印出“空白”的水凝胶支架，而非在打印阶段直接加入粉末或盐类。
接着，这些水凝胶模板被注入金属盐溶液。不同于立即将其转化为陶瓷或金属，研究人员在水凝胶内部触发了原位沉淀反应（in situ precipitation），即通过化学反应将溶解态金属离子转化为分布在整个结构内的纳米颗粒。
通过多次重复注入–沉淀循环，研究人员逐步提高水凝胶内部的金属含量。在某些实验中，金属负载量高达近80重量百分比（wt%），这一水平远超传统浆料或混合树脂方法所能达到的极限。
a) 不同氢氧化铵暴露时间下，铁离子注入水凝胶柱体的横截面图；
b) 随氢氧化铵暴露时间变化的原位共沉淀程度；线性覆盖率通过生长前沿长度与柱半径的比值测量；
c) 随注入–共沉淀循环次数变化的水凝胶质量增加曲线；
d) 干燥的“空白”水凝胶与IONP复合材料的光学图像。
图片来源：Daryl Yee 等 / EPFL。
最后一步是热处理。干燥并加热后，富含纳米颗粒的水凝胶被转化为致密的陶瓷或金属结构，且几乎保持了原始打印模板的形状。由于在热转化前已富集大量无机物质，总体收缩率相比以往方法显著降低。
高致密度、低收缩率的打印成果
利用这种注入–沉淀策略，研究人员成功制备出包括氧化铁（Fe₂O₃）、六铁氧化锶（SrFe₁₂O₁₉）、铁、铜与银等多种结构。
这些样品的收缩率被显著降低至约20–40%，而此前基于水凝胶注入的增材制造（HIAM）方法通常会产生高达90%的收缩。
a, d, g) 光学图像；
b, e, h) XRD衍射图谱；
c, f, i) EDS元素分布图：
a–c) 银；d–f) 铁；g–i) 铜的三维Gyroid结构。
图片来源：Daryl Yee 等 / EPFL。
材料致密度也得到了显著提升。最终部件的致密度达到理论密度的80–90%，其机械稳定性远超以往工艺。
在压缩测试中，使用新方法制备的铁Gyroid晶格的抗压强度约为5 MPa，是传统HIAM方法制得样品的25倍。
a, b) 采用HIAM与本研究注入–沉淀方法制备的Fe₂O₃和Fe Gyroid结构的密度与收缩率比较；
c, d) Fe₂O₃与Fe Gyroid晶格在压缩载荷下的应力–应变曲线。
图片来源：Daryl Yee 等 / EPFL。
尺寸精度同样表现突出。微CT扫描显示，打印部件与CAD模型高度吻合，偏差一般在几十微米以内。
即便在厘米级尺寸下，如齿轮和支架等复杂结构也能保持预期几何形状，几乎无翘曲变形。这一成果标志着相对于早期高收缩率导致严重变形的方法取得了显著进步。
研究团队还展示了制造精细特征的能力，他们成功打印出壁厚低于100微米的银Gyroid结构——这种尺寸级别对于粉末床熔融（如选择性激光烧结SLS）而言极具挑战，尤其是对于高反射金属如铜和银。
a) Gyroid晶格结构；
b) 支架；
c) 毫米级Fe齿轮；
d) 毫米级Ag Gyroid光学图；
e) SrFe₁₂O₁₉ Gyroid结构；
f) 使用氧化铁粉末可视化SrFe₁₂O₁₉结构周围的磁场。
图片来源：Daryl Yee 等 / EPFL。
拓展功能陶瓷与金属的应用前景
这种显著降低收缩与提高密度的新工艺，为槽式光固化3D打印的应用范围带来了重大扩展，使打印制品不再局限于脆弱的原型模型。
现在，可以制造具有实际机械完整性的致密结构化金属和陶瓷部件。
在生物医学领域，研究人员打印了铁基支架（stent），其圆柱几何形状在烧结后仍保持良好形态，无翘曲变形。这表明该工艺有望用于开发兼具高分辨率与强度的植入类医疗器械。
能源相关系统同样可从中受益。结构化陶瓷与金属在电池、燃料电池以及催化反应器中至关重要，而孔隙控制与尺寸精度正是决定其性能的关键因素。
此外，该工艺还可扩展至功能陶瓷的制造。研究团队通过在氧化铁复合材料中注入锶盐，成功制备出具有强磁化性能的六铁氧化锶三维结构。这一成果展示了将磁性功能集成到轻质结构中的新可能。
更广泛而言，这种能够制造精细、高密度晶格结构的能力，将加速超材料与传感器等领域的研究进程，因为在这些领域中，结构体系往往比材料本身更决定性能。
研究人员强调，他们的方法并非要取代现有的粉末床熔融技术（如选择性激光烧结SLS），而是形成互补关系。
SLS适用于壁厚超过300微米的大型部件，但在打印高反射金属（如铜、银）以及亚百微米尺度的特征时表现受限。相比之下，水凝胶注入–沉淀策略在微尺度结构制造中更具优势，提供了一种成本更低、可及性更高、且具材料多样性的精密制造方案。
水凝胶在增材制造中的作用
水凝胶因其作为可打印支架的多功能性，正日益成为增材制造研究的核心媒介。
今年早些时候，研究人员展示了如何通过体积式增材制造（volumetric additive manufacturing）结合水凝胶注入技术，实现复合材料的快速多材料打印。
另一项来自加州理工学院（Caltech）的研究则通过水凝胶注入增材制造（HIAM）推进了金属3D打印，展示了如何将聚合物模板转化为功能性金属结构。
水凝胶还在生物打印与太空应用中展现出潜力，从基于xolography的组织工程到提升宇航员辐射防护性能。
EPFL的最新研究在此基础上进一步突破，解决了水凝胶方法在转化过程中“严重收缩”的关键难题，为制造致密、机械稳定的陶瓷与金属结构开辟了全新路径。
