多色数字光处理3D打印实现独立结构与非组装结构的可溶解支撑

      数字光处理（DLP）3D打印作为一种快速、精准且低浪费的制造技术，其光固化树脂化学多样性的局限性，导致难以实现带悬空悬垂（如钩子）和无法物理分离的活动非组装结构（如关节）等复杂几何形状的打印。当前，这类结构需依赖手动后处理去除支撑，不仅耗时费力（占总制造成本约10%），还会影响表面精度，限制了DLP在自动化制造和复杂结构打印中的应用。   
     针对这一痛点，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Zachariah A. Page教授团队开发了新型多色光响应树脂体系，通过紫外光（UV）和可见光（紫色或蓝色）的选择性照射，分别生成不溶性热固性材料（作为结构主体）和可溶性热塑性材料（作为支撑）。该团队利用丙烯酸酯和环氧基树脂的协同反应，结合微流控技术构建了可溶解支撑体系，实现了在环保溶剂乙酸乙酯中10分钟内快速溶解支撑结构，且表面精度优于传统手动处理。实验验证了该技术在打印钩子、链环、关节等复杂结构中的可行性，显著提升了DLP打印的几何适应性和生产效率。   
     相关工作以“Multicolor Digital Light Processing 3D Printing Enables Dissolvable Supports for Freestanding and Non-Assembly Structures”为题发表在《ACS Central Science》上。

1. DLP 3D打印中传统支撑工艺与新型可溶解支撑工艺对比   
通过示意图对比，研究了传统单波长DLP打印需手动去除支撑的流程与新型多色DLP打印可溶解支撑的差异。结果表明，传统工艺需经历切割、打磨、抛光等繁琐步骤，耗时约12分钟且表面粗糙度达37±9 μm；而新型工艺通过紫外光固化不溶性结构、可见光固化可溶性支撑，经乙酸乙酯浸泡10分钟即可去除支撑，表面粗糙度低至3±1 μm，显著提升效率与精度。   

2. 多色光响应树脂的配方设计与光物理特性
通过紫外-可见吸收光谱（UV-vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）及动态力学分析（DMA），研究了以异冰片丙烯酸酯（IBOA）、环氧丙烯酸酯（ECA）为单体，搭配光引发剂（DHS、BAPO等）的树脂体系。结果显示，紫外光（365 nm）触发丙烯酸酯自由基聚合与环氧阳离子交联，形成不溶性热固性材料（玻璃化转变温度Tg≈60℃）；可见光（405/460 nm）仅引发丙烯酸酯聚合，生成可溶性热塑性材料（分子量约11 kDa），两者在光谱响应与化学交联机制上具有显著选择性。   

3. 可溶解支撑的溶解动力学与机械性能   
通过重量分析法、流变学测试及单轴拉伸实验，研究了可溶性支撑在乙酸乙酯中的溶解行为及力学特性。结果表明，含2 mol%链转移剂（EVS）的支撑材料在10分钟内完全溶解，凝胶分数（Fgel）仅约10%；其拉伸模量为160-200 MPa，断裂应力4.9±0.6 MPa，兼具足够支撑强度与快速溶解能力。相比之下，紫外固化的不溶性结构拉伸模量达1.2-1.6 GPa，浸泡后机械性能保持率超80%，证实材料体系的稳定性与实用性。   

4. 复杂几何结构的多色DLP打印验证   
通过数字光处理3D打印结合计算机断层扫描（CT），研究了钩子、链环、球窝关节等复杂结构的打印可行性。结果表明，带悬空悬垂的钩子结构通过可见光支撑实现稳定成型，CT显示打印误差仅140 μm；互锁链环结构相邻间隙达180 μm，打印后无粘连；球窝关节实现三自由度运动，间隙精度达126 μm，证实该技术可精准制造传统工艺难以实现的独立悬垂与非组装活动结构。   

研究结论
   本研究开发了一种基于多色数字光处理（DLP）的3D打印技术，通过紫外光和可见光响应的树脂体系实现了可溶解支撑结构的制备。实验表明，紫外光触发丙烯酸酯与环氧基团的交联，形成不溶性热固性材料作为主体结构；可见光仅引发丙烯酸酯聚合，生成可溶于乙酸乙酯的热塑性支撑材料，10分钟内即可完全溶解。该技术解决了传统DLP打印中独立悬垂结构（如钩子）和非组装活动结构（如关节）的支撑难题，表面粗糙度低至3±1 μm，显著优于手动处理工艺。打印的复杂结构（如链环、球窝关节）经CT扫描验证，误差均小于219 μm，且机械性能稳定（拉伸模量1.2–1.6 GPa）。本研究为自动化3D打印复杂几何结构提供了新策略，在机器人制造、医疗器件等领域具有应用潜力，为下一代增材制造技术奠定了基础。

文章来源：
https://doi.org/10.1021/acscentsci.5c00289