连续多材料增材制造技术：实现同步多液相挤出与实时固化的3D打印新策略

本研究针对多材料3D打印中因树脂槽切换导致的制造连续性中断问题，提出了一种连续多材料增材制造（CMAM）新方法。通过集成多液相挤出与液滴基3D打印系统，实现了单层内多材料同步构建、实时固化及连续树脂补充，攻克了多材料分布可控和界面融合调控的技术难题，为功能器件的按需制造提供了革新性平台。

　　

在当今快速发展的智能制造领域，三维（3D）打印技术因其无需模具、操作简便和设计自由度高等优势，已成为构造复杂三维结构的重要平台。从结构材料、传感器件、软体机器人到组织工程，3D打印的应用范围正在不断扩大。其中，基于光聚合的数字光处理（DLP）技术通过投射全层紫外（UV）图案实现瞬时光聚合，避免了体素到切片的转换步骤，显著提高了制造速度。然而，尽管单材料连续打印技术已取得显著进展，多材料构建仍然面临重大挑战。现有的多材料3D打印通常需要顺序更换打印槽中的树脂，这一过程不仅中断了层间聚合的连续性，还无法实现单层内的多材料同步沉积。虽然沉积基技术如直接墨水书写（DIW）和喷墨3D打印可通过多喷嘴系统实现连续多材料制造，但其逐体素沉积机制导致构建速率较慢和分辨率较低，难以满足高效、高精度制造的需求。

针对这一技术瓶颈，研究人员在《Research》上发表了一项突破性研究，提出了一种名为连续多材料增材制造（CMAM）的新方法。该方法通过将挤出多液相与液滴基3D打印系统相结合，实现了多材料三维结构的连续构建，不仅解决了制造连续性问题，还实现了材料分布和界面形态的精确控制。

研究团队采用了几项关键技术方法：一是自建的自下而上连续制造模块，包括可编程运动平台、UV透明固化界面和数字UV投影仪；二是挤出基树脂输送系统，由注射泵、注射器和输液管组成，可实现多材料的实时挤出和补充；三是通过调控挤出参数（挤出数量、空间分布和挤出流速）实现材料分布的精确控制。所有实验均使用Formlabs的商业液态树脂，包括Elastic 50A树脂、Castable wax 40树脂等，确保了材料的兼容性和固化一致性。

在CMAM概念与配置方面，研究团队设计了包含连续制造模块和树脂输送系统的CMAM系统。通过精确控制挤出参数，系统能够将多材料图案化液滴沉积到固化表面，并在UV固化过程中实现同步材料补充和结构构建。实验成功打印了具有四种颜色的埃菲尔铁塔微结构，展示了系统在多材料构建方面的卓越能力。

在连续双材料构建研究中，研究人员通过双边挤出方法制备了具有可编程线性和曲线界面的层状结构。通过动态调整两种树脂的挤出流速，实现了垂直界面、倾斜界面和锯齿界面的精确控制。力学测试表明，双边挤出打印的样品具有更高的界面强度，其界面融合区宽度可达约100μm，显著增强了材料间的机械粘附而不影响界面边界精度。

在界面形态控制与多材料构建方面，研究展示了通过实时调节相特定挤出参数，能够精确制造具有2D平面界面和3D连续或不连续界面的复杂结构。通过多输送管和挤出参数调控，实现了七种材料结构的连续打印，以及通过堆叠不同材料分布的块体结构实现复杂三维材料排列。

在CMAM方法的应用方面，研究团队展示了四材料南瓜结构的抗伪冒应用，通过控制内部材料分布实现外部相同但内部不同的结构设计。此外，利用材料不同的溶胀特性，制造了形状变形结构，并通过局部添加磁性材料实现了可编程运动轨迹的软体机器人结构。这些应用充分展示了CMAM技术在功能器件制造方面的巨大潜力。

研究结论表明，CMAM策略通过同时调控固-液和液-液界面特性，在保持液滴基3D打印高材料效率的同时，消除了体积构建限制。通过精确控制挤出速率、材料数量和空间分布，能够同时打印四种或更多材料，并实现可编程的2D或3D界面结构。该研究不仅扩展了3D打印的设计空间和功能能力，还为连续按需制造功能器件提供了变革性平台，在软体机器人、抗伪冒技术和生物医学工程等领域具有广阔的应用前景。