美国罗切斯特理工学院（RIT）科研团队开发出新型自修复高分子材料，可显著提升3D打印部件的耐用性和使用寿命。该材料在受损后能通过光固化反应自动修复裂纹，具备形状记忆特性，能恢复原始形态。研究由Christopher Lewis教授领导，并获得美国国防部支持。该突破有望广泛应用于机器人、电子设备及生物医用3D打印领域，为增材制造带来更高可靠性与可持续性。
罗切斯特理工学院（Rochester Institute of Technology，RIT）的科学家正在研究如何通过开发能够在受损后自我修复的聚合物，使3D打印材料更加耐用。
在Christopher Lewis的带领下，这项研究专注于创造对外界刺激有响应的光敏聚合物，这些材料在受损时能够自我修复，从而提高3D打印产品的韧性。这些材料最初是类似强力胶般稠度的液态树脂，在光刻工艺中，经过逐层固化成为固体。固化后，它们表现出自我修复特性，可以延长打印部件的使用寿命。
作为RIT工程技术学院的教授，Lewis表示，团队的目标是制造出能够复制生物系统中修复能力的合成材料。虽然生物组织在受伤后能够再生，但“对于合成材料或人造物体而言，这并不成立，”Lewis说道。“我们在自修复材料方面的工作，是一种面向未来的探索，旨在开发出能够模仿自然材料特性的系统。”
Christopher Lewis开发了一种自修复材料解决方案，以改善3D打印性能。图片来自RIT。
克服3D打印材料的弱点
增材制造面临的持续挑战之一是材料的脆性，尤其是在承受负载的部件应用中。裂纹可能随着时间形成，最终导致失效。为了解决这一问题，Lewis团队将一种紫外线固化树脂与热塑性添加剂相结合，创造出一种更坚韧的混合物，可以在受损区域形成加固。该材料还表现出形状记忆行为，也就是说，它在变形后可以恢复到原始形态。
该项目由美国国防部（DoD）资助，并与RIT的AMPrint中心合作进行，目前的重点是微调树脂的化学成分，以平衡光敏度和粘度。这两个特性对于实现稳定可靠的打印性能至关重要。
自修复能力源于一种被称为**聚合诱导相分离（Polymerization-Induced Phase Separation，PIPS）**的过程。当液态树脂暴露在光下时，它开始固化，而热固性组分和热塑性组分逐渐分离。这种分离形成了一种动态的内部结构，在固化过程中不断移动并稳定下来，类似于熔岩灯中流动的柔和运动。
Lewis解释说，这种相分离是材料实现自我修复的关键。早期关于热塑性混合物的研究表明，类似的结构动态可以使聚合物在裂纹处重新闭合并恢复完整性。这些研究成果为团队目前在光反应体系中的实验提供了指导。
研究人员认为，自修复聚合物有望使3D打印部件在机器人、电子设备和生物医用器件中的应用更加可靠。通过提高韧性并减少维护需求，该技术有望帮助降低生产成本，并拓展增材制造的应用能力。
Christopher Lewis与BS/MS学生Kaia Ambrose讨论与自修复树脂相关的细胞层面细节。Ambrose是专注于形状记忆行为研究的团队成员。图片来自RIT。
面向3D打印的自修复材料
自修复特性在3D打印领域同样备受关注，而将类似功能集成到打印材料中的能力，可能为增材制造（AM）开辟全新的方向。
近年来，研究人员在自修复技术方面已在多个领域取得显著进展。例如，科学家成功3D打印出一种源自虾壳的生物聚合物，这项成果可能为可自我修复的可穿戴设备铺平道路；而其他研究人员也展示了能够修复智能手机与电脑屏幕损伤的3D打印材料。
在南加州大学，研究人员开发出一种能够自我修复的3D打印橡胶，这一突破有望延长鞋类、轮胎、软体机器人部件及电子设备等产品的寿命。同样地，拉马尔大学的研究人员利用立体光刻（SLA）技术制造出灵感源自仙人掌结构的自修复系统，可实现自主修复。
在台湾，国立中央大学的科学家研制出一种能够抵抗紫外线和高温的自修复乳状玻璃材料。同时，德克萨斯农工大学与美国陆军研究实验室合作，研发出一种适用于3D打印的新型可回收、自修复聚合物材料。
