巧妙的双波长同步固化！一招破解3D打印手撕支撑难题

还在为3D打印的支撑结构头疼吗？
手工移除支撑不仅费时费力，还容易损伤精细结构。

来自加州大学圣芭芭拉分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究团队最近在《ACS Central Science》上发表了一项颇有意思的研究成果。

简单来说，他们开发出了一种双波长同步固化技术，能让支撑材料自动溶解消失，这可能会让很多3D打印光固化从业读者眼前一亮。
从而打印出这种笼内球结构以展示支撑祛除后的效果。

支撑结构的老大难问题

说起3D打印，支撑结构一直是个让人又爱又恨的存在。

没有它，除了类似SLS，BJ等技术，悬空结构根本打不出来；

有了它，后处理又是一大堆麻烦事。

特别是那些精密的内部结构，手工去除支撑简直就是在考验你的耐心和技术。

研究团队在论文中提到，传统的光固化3D打印技术在制造悬臂、拱形等无支撑特征时，经常会出现错位和下垂的问题。

这不仅限制了可打印几何体的范围，还影响了最终产品的精度。

双波长负成像技术的巧思

这次的创新点在于一个叫做DWNI（双波长负成像）的DLP打印机。

听起来很高深，其实原理挺有意思的。

研究人员用了两种不同波长的光：405nm的可见光和365nm的紫外光。

图1展示了整个材料体系的组成，包括了自由基聚合网络（占20%）和阳离子聚合网络（占80%）。

405nm光线专门负责固化可降解的丙烯酸酯网络，而365nm光线则固化永久性的环氧树脂网络。

这种设计挺聪明的，相当于在一锅材料里同时进行两种不同的化学反应。

图2的FTIR数据清楚地证明了波长选择性确实有效。

405nm光照射下，只有丙烯酸酯基团发生聚合，环氧基团基本没动静；

而365nm光照射下，两种反应都会发生，但主要还是环氧聚合占主导。

一机两用的光学设计

图3详细展示了双波长打印机的光学结构。

这台设备的巧妙之处在于用单个数字微镜器件（DMD）就实现了双波长控制。

微镜调整到-12°角度时，405nm光线反射到工作台面；调整到+12°角度时，365nm光线到达表面。

这样一来，不同的像素点可以同时接受不同波长的光照，实现真正的同步打印。

AM易道认为，这种设计比那些需要两套DMD系统的方案要实用得多，不仅降低了成本，还避免了多DMD对准的麻烦。

更重要的是，同步曝光能将打印时间缩短50%，这对提高生产效率很有意义。

材料配方的精心调配

研究团队选择的材料组合也很有讲究。

对于可降解网络，他们用了4-丙烯酰吗啉（ACMO）作为共聚单体，甲基丙烯酸化癸二酸（MSA）作为交联剂。

MSA这个选择特别有意思，它不仅聚合速度快，降解后还能产生无毒的癸二酸。

环氧体系方面，他们选用了3,4-环氧环己基甲基-3',4'-环氧环己烷羧酸酯（ECC）和3-乙基-3-氧杂环丁烷甲醇（OXA）。

这个组合能在紫外光引发下形成高交联密度的热固性网络。

最关键的是光引发剂的选择。

BAPO（苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧化膦）能同时吸收365nm和405nm光，而DHS（二苯基[4-(苯硫基)苯基]锑酸六氟锑酸盐）只对365nm敏感。

这种差异化吸收正是实现波长选择性的关键。

打印效果让人眼前一亮

图4展示了不同曝光能量下的打印测试结果。

405nm光固化的方形特征在碱性溶液中完全溶解，而365nm光固化的特征在高曝光能量下能够保持完整。

这种对比效果相当明显，基本达到了设计预期。

也就是说，打印完的东西泡在碱液里面，支撑被溶解，而留下了需要的结构。这轻松解决了手动祛支撑的痛点。

图5的实际打印案例更有说服力。

研究团队成功打印出了棋盘格图案、五环相扣结构、笼中球以及双球螺旋等复杂几何体。

这些结构如果用传统方法打印，后处理会是个大麻烦，而现在只需要在碱性溶液中浸泡就能自动去除支撑。

AM易道认为，这种技术对于制造内部复杂通道、多孔结构或者铰接机构特别有价值。

我们经常提到金属的换热器，而聚合物直接打印出一个内部有复杂流道的换热器同样有价值，或者一个多关节的机械手，而且不需要任何后处理。

这确实挺吸引人的。对于光固化技术来说，是个很大的技术利好和应用拓展抓手。

技术细节再深挖

从技术角度看，这个方案还有几个值得关注的细节。

首先看看材料配比，20%的可降解网络就能提供足够的支撑强度，这意味着80%的最终产品都是高性能的环氧树脂，机械性能不太会打折扣。

溶解条件相对温和。

不需要复杂的溶液调配，只要在5M氢氧化钠溶液中，2mm厚的支撑结构2小时就能完全溶解，在纯水中也只需要18小时。

这比那些需要有机溶剂或者高温处理的方案要环保得多。

热后处理也是个亮点。

110°C、15分钟的热处理能将环氧网络的转化率从40%提高到57%，显著改善最终产品的机械性能。

而且由于支撑材料是热固性的，不会在加热过程中变形。

AM易道看商业化前景如何

从应用角度看，这项技术最直接的受益者应该是那些需要制造复杂内部结构的行业。

比如航空航天的轻量化点阵结构、生物医学的血管化支架、流体器件的内部通道等等。

不过，技术要真正走向应用还有几个问题需要解决。

我们认为最大的问题是打印速度，70秒的单层曝光时间对于工业生产来说还是太慢。

其次是材料成本，双引发剂体系肯定比单一材料要贵一些。

AM易道认为，这种技术更适合那些对复杂度要求高、对打印时间和成本相对不敏感的应用场景。

如果能在提高打印速度、降低材料成本方面有所突破，商业化前景还是很不错的。

毕竟碱液轻松去支撑比起人工去支撑的痛苦来说，可以通过自动化规模化的方式来把打印时间的缓慢给追回来。

行业影响不容小觑

AM易道认为，这项研究给3D打印行业带来的启发其实挺大的。

它证明了通过巧妙的材料设计和光学控制，可以在不增加太多硬件复杂度的前提下，大幅提升制造能力。

更重要的是，多材料打印、梯度材料制造、甚至是4D打印等等，都可能从这种双波长控制技术中获得灵感。

从技术发展趋势看，未来的3D打印设备可能会越来越多地采用这种多波长、多反应的复合材料体系。

甚至我们可以联想到金属设备的多波长激光聚合的设备也会解决多材料打印的难题。

毕竟，在往后看十年，现实世界的3D打印高端产品往往需要不同区域具备不同的性能，单一材料很难满足所有要求。

AM易道结语

支撑结构一直是3D打印技术发展路上的一个小小障碍，虽然不算致命，但确实影响了很多复杂应用的实现。

这篇学术文章读起来很通畅，也建议从事光固化的技术读者阅读原文找找灵感。

我们认为双波长同步固化技术提供了一个相当优雅的解决方案，它不仅解决了支撑移除的问题，还保持了较高的打印效率和产品质量。

技术的魅力往往就在于此，看似复杂的问题，往往有着出人意料的简洁解法。

当然，从实验室到产业化还有不少路要走，但方向已经很清晰了。

对于那些正在被支撑结构困扰的工程师们来说，这无疑是个好消息。

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