一种基于光聚合辅助的多材料打印方法：实现良好的界面粘合及多功能结构设计

《Polymer》：A vat photopolymerization–assisted multi-material printing method: Enabling good interface bonding and multi-function structure design

本研究提出一种新型多材料Vat光固化3D打印技术，通过集成数字光处理（DLP）固化技术与多材料递送系统，解决了传统多材料打印中平台切换、树脂交叉污染及效率低等问题。实验表明该技术能实现高分辨率复杂结构制造，并验证了吸能蜂窝、电磁屏蔽件和柔性应变传感器等应用的可行性。

　　在现代科技迅猛发展的背景下，多材料结构因其卓越的机械性能而被广泛应用于航空航天、医疗、食品工程等多个领域。这些结构通常由多种材料组合而成，能够根据具体应用场景实现性能的优化与功能的多样化。然而，实现复杂多材料结构的高效制造仍然是一个极具挑战性的课题。传统制造工艺虽然能够生产出复杂的结构，但在设计灵活性、制造效率和成本控制方面存在诸多限制。因此，多材料3D打印技术的出现为解决这些问题提供了新的思路。

3D打印，也被称为增材制造，是一种通过逐层堆积材料来构建三维物体的技术。它能够实现对材料沉积的精确控制，并通过局部材料组合的调节，制造出具有复杂微观结构的产品。相比传统制造方法，3D打印在制造复杂功能结构方面具有显著优势，尤其是在效率、定制化和成本控制方面。这一技术已经被广泛应用于军事、航空航天和生物医学等领域，为相关产业带来了革命性的变化。

尽管3D打印技术在制造复杂结构方面展现出巨大潜力，但单一材料打印往往限制了设计的自由度和结构性能的提升。单一材料打印虽然在某些应用场景中表现出色，但在需要集成多种机械和功能性能的结构设计中，其局限性逐渐显现。多材料结构则能够通过材料的组合，实现性能的梯度变化，从而满足不同环境和功能需求。这种设计思路受到自然界中生物结构的启发，例如贝壳、树叶和骨骼等，它们通过材料的分布和结构的层次变化，实现了优异的力学性能和功能特性。同样，在工程材料领域，纤维增强复合材料、功能梯度材料和混凝土等，也通过多材料设计提升了其整体性能。

多材料3D打印技术的出现，为实现复杂结构的高效制造提供了新的可能性。该技术通过整合多种材料的使用，使得结构设计能够更加灵活和多样化。然而，多材料打印仍然面临诸多挑战，特别是在材料的精确放置、界面结合和制造效率方面。目前，已有多种3D打印技术被开发用于多材料打印，包括直接墨水书写（DIW）、熔融沉积成型（FDM）、材料喷射和立体光刻（SLA）等。这些技术各有其特点和适用范围，但在实际应用中仍存在一些关键问题。

例如，DIW技术虽然能够实现多材料的沉积，但其依赖于机械运动，导致打印速度较慢。FDM技术以其简单和高效的特点受到欢迎，但多材料打印通常需要将FDM与其他技术结合，这不仅增加了制造成本，也限制了材料选择的多样性。相比之下，VPP（光固化）技术因其高精度、高速度和高分辨率的特点，被认为是实现复杂结构制造的理想选择。VPP技术通过使用紫外线固化液态光敏树脂，能够在短时间内完成结构的成型。根据光源的不同，VPP技术可以分为立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）和双光子聚合（TPP）等几种类型。

其中，DLP技术因其能够利用数字光投影设备对整个液态树脂层进行固化，具有更高的打印效率和分辨率。然而，在多材料打印过程中，切换不同的液态光敏树脂仍然是一个技术难点。现有的多材料VPP技术主要采用容器切换或树脂切换的方式，但这些方法在操作过程中容易导致树脂交叉污染，影响界面质量，并可能引发固化缺陷。因此，如何在不移动打印平台或更换树脂罐的情况下实现树脂的高效切换，成为提升多材料VPP技术性能的关键问题。

针对这一挑战，研究人员提出了一种新的多材料VPP 3D打印技术。该技术结合了DLP固化技术与一种新型的多材料输送系统，使得在打印过程中能够实现多种材料的交替使用，同时避免树脂的交叉污染。这种设计不仅提高了打印效率，还保证了打印过程的连续性，从而有效提升了多材料结构的制造质量。通过该技术，研究人员成功制造并测试了多种多材料样品，验证了其在机械性能方面的可靠性。

此外，该技术的多功能性也得到了充分展示。在能量吸收、电磁屏蔽和柔性传感等领域的应用中，多材料VPP技术表现出良好的性能和广泛的应用前景。例如，在能量吸收方面，研究人员利用该技术制造了具有高能量吸收效率的蜂窝结构；在电磁屏蔽方面，通过在结构中嵌入具有屏蔽功能的材料，实现了对电磁干扰的有效抑制；而在柔性传感领域，该技术能够制造出具有高灵敏度和良好柔韧性的应变传感器，适用于各种智能设备和可穿戴技术。

这些应用不仅证明了多材料VPP技术的可行性，也展示了其在实际工程中的巨大潜力。通过不断优化多材料输送系统和树脂切换机制，该技术有望在未来的制造过程中发挥更加重要的作用。特别是在需要高性能和多功能集成的领域，如航空航天、医疗设备和智能材料等，多材料VPP技术的应用前景十分广阔。

在研究过程中，研究人员还对所使用的树脂材料进行了详细分析。所选树脂材料包括一种液态树脂聚合物（聚氨酯丙烯酸酯，PUA）和碳纳米管。PUA树脂由深圳BMF精密制造有限公司提供，其中含有0.5 wt.%的Irgacure 2959作为光引发剂，在405 nm紫外光的照射下能够实现高效的固化。研究人员选择了三种具有不同机械性能的PUA树脂，以满足不同结构设计的需求。通过这种材料的组合，研究人员能够制造出具有多种功能特性的多材料结构。

在实际应用中，多材料结构的设计和制造需要综合考虑材料的性能、结构的复杂性和打印工艺的可行性。研究人员在本研究中设计了一种新的多材料输送系统，该系统能够实现多种树脂的交替使用，同时减少材料之间的交叉污染。这种系统的设计不仅提高了打印效率，还保证了结构的高质量和稳定性。通过该系统，研究人员成功制造了多种多材料样品，并对其机械性能进行了测试，结果表明其在实际应用中具有良好的表现。

此外，研究人员还对多材料VPP技术的潜在应用进行了深入探讨。在能量吸收方面，多材料结构能够通过其内部材料的梯度分布，实现对冲击能量的有效吸收，提高结构的安全性和耐用性。在电磁屏蔽方面，通过在结构中嵌入具有屏蔽功能的材料，可以有效减少电磁干扰，提高设备的电磁兼容性。而在柔性传感领域，多材料结构能够通过其材料的组合，实现对微小形变的高灵敏度检测，适用于各种智能传感设备和可穿戴技术。

这些应用不仅展示了多材料VPP技术的多样性，也为其在实际工程中的推广和应用提供了理论支持和实践依据。通过不断优化和改进，多材料VPP技术有望成为未来制造领域的重要工具，推动更多创新产品的诞生。

在本研究中，研究人员还对多材料VPP技术的未来发展提出了展望。他们认为，随着材料科学和制造技术的不断进步，多材料VPP技术将在更多领域发挥重要作用。特别是在需要高性能和多功能集成的场景中，如航空航天、医疗设备和智能材料等，该技术的应用前景十分广阔。同时，研究人员也指出，进一步优化多材料输送系统和树脂切换机制，将是提升该技术性能的关键方向。

总之，多材料VPP技术的提出和应用，为实现复杂结构的高效制造提供了一种新的解决方案。通过结合DLP固化技术与新型多材料输送系统，该技术不仅提高了打印效率，还保证了结构的高质量和稳定性。在实际应用中，该技术展示了其在能量吸收、电磁屏蔽和柔性传感等领域的广泛潜力，为未来多材料结构的制造和应用提供了新的思路和方法。