3D打印技術(shù)參考注意到，2026年首篇與3D打印技術(shù)相關(guān)的Science正刊文章于1月29日刊發(fā)。來自美國桑迪亞國家實驗室、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、俄勒岡州立大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)等的聯(lián)合團隊發(fā)表了題為“Lithographic crystallinity regulation in additive fabrication of thermoplastics (CRAFT)”的文章。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb3637

這項研究闡述了一種創(chuàng)新的光控3D打印方法，它能夠在三維空間中實現(xiàn)對高分子材料的結(jié)晶過程的微觀編程控制，從而能夠調(diào)控其機械與光學(xué)性能，還能實現(xiàn)快速制造，為信息存儲、軟機器人和能量阻尼等開辟了新的應(yīng)用途徑。

簡單的說，就是傳統(tǒng)注塑或3D打印只能制造結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的材料，無法在同一零件不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)性能變化。而要實現(xiàn)材料性能變化，就得依靠多種材料拼接。但如今這項研究，僅僅使用單一材料，通過基于DLP 3D打印的光控方法，就實現(xiàn)了從剛性到塑性的梯度變化。

研究背景與挑戰(zhàn)

半結(jié)晶熱塑性塑料的結(jié)晶度可以被輕松調(diào)控，從而調(diào)整材料的整體化學(xué)和機械性能，這在高密度聚乙烯（如熱水管）和低密度聚乙烯（如保鮮膜）的性能差異中表現(xiàn)得尤為明顯。雖然目前通過引入支鏈、進行退火、與聚合物共混等手段已經(jīng)可以調(diào)控材料的整體結(jié)晶性質(zhì)，但如果能夠在單一材料中實現(xiàn)結(jié)晶度的空間圖案化編碼，將能夠徹底改變商品塑料的制造方式。

文章指出，盡管半結(jié)晶聚合物已經(jīng)在工業(yè)端廣泛使用，但在光聚合3D打印領(lǐng)域只有少量報告提及。這主要是由于將單體或低聚物通過光化學(xué)方式快速轉(zhuǎn)化為高分子量聚合物存在挑戰(zhàn)，同時，層層沉積過程中結(jié)晶區(qū)域之間的界面結(jié)合也很脆弱。

因此，研究的重點就在于要找到一種能夠快速光聚合的材料體系，能夠在打印過程中實現(xiàn)強界面結(jié)合并能調(diào)控其結(jié)晶度實現(xiàn)性能改變。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

研究人員并沒有選擇該技術(shù)領(lǐng)域主流使用的丙烯酸酯，而是選擇了一種特殊的單體——順式環(huán)辛烯。它是一種很便宜而且粘度很低的單體，其在聚合反應(yīng)過程中表現(xiàn)出兩個關(guān)鍵特性：

1）能夠在幾秒內(nèi)快速聚合成高分子聚合物，從而滿足了快速打印的要求；

2）聚合后，分子鏈上的雙鍵在后續(xù)光照或黑暗條件下仍能發(fā)生“次級復(fù)分解”，能夠?qū)⑿屡f打印層化學(xué)縫合在一起，從而解決了層間結(jié)合脆弱的難題。

控制多環(huán)辛烯（pCOE）立體化學(xué)和照射強度下的結(jié)晶率百分比

這項研究最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是確定了光照強度能夠精確控制聚合物鏈的“幾何形狀”。在低光照強度下，聚合會產(chǎn)生更多的反式構(gòu)型，使得分子鏈排列更規(guī)整，結(jié)晶度更高，材料的強度和硬度都很高。而在高光照強度下，聚合會產(chǎn)生更多的順式構(gòu)型，分子鏈的排列更為松散，結(jié)晶度低，材料的韌性就比較高。

研究人員分析指出，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于高光照強度降低了催化劑的“活性”，最終使得結(jié)晶度低，從而導(dǎo)致材料性能的變化。因此，可以通過調(diào)節(jié)光照強度來控制聚合物立體化學(xué)反應(yīng)，為控制材料結(jié)構(gòu)性能開創(chuàng)了一種新方法。

基于DLP3D打印的灰度光強控制

而這種光照強度的梯度變化，則可以通過灰度圖實現(xiàn)?；叶葓D像的投影產(chǎn)生了輻照強度的空間變化，進而產(chǎn)生晶體度。研究人員將這種方法稱為光刻CRAFT（熱塑性增材制造中的晶體調(diào)控）?；叶戎捣秶鷱腉0（黑色）到G255（白色），對應(yīng)強度從0到168mW/c㎡。

熱塑性塑料增材制造

晶體調(diào)控-性能驗證

研究人員對不同灰度打印的樣品進行了單軸拉伸測試。低強度3D打印獲得了高度結(jié)晶的材料，楊氏模量為~250MPa，屈服應(yīng)力為19MPa，斷裂時的平均應(yīng)變超過700%。增加光強使楊氏模量降低至120MPa，屈服應(yīng)力為9MPa，斷裂伸長率為630%。

此外，平行打印的試樣以及相對于打印板的垂直方向表現(xiàn)出類似的機械行為，說明層間結(jié)合力很穩(wěn)定，層間強度可能由聚合物糾纏和二次復(fù)刻引起。

對光編碼立體控制

為評估熱穩(wěn)定性和再加工性，研究人員對高結(jié)晶度和低晶體樣品進行了熱循環(huán)實驗，并分別進行溶解測試來探究可重復(fù)3D打印的特性。在熱循環(huán)過程中，樣品反復(fù)加熱高于和低于其各自的熔點。低于熔點加熱對結(jié)晶性沒有影響，而在熔點以上循環(huán)則降低結(jié)晶度和熔點，另外兩次高溫循環(huán)逐漸降低了結(jié)晶度以及熔點。此外，通過將聚合物溶解于甲苯并用溶劑鑄造成新薄膜，未實現(xiàn)交聯(lián)，證明該材料保持熱塑性且可再處理。

作為演示，研究人員還在立體基質(zhì)中3D打印了一個帶有方框的雷鳥，對其橫截面切割，顯示出三個具有不同結(jié)晶度的區(qū)域。為進一步測試該技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方面的潛力，他們還打印了生物結(jié)構(gòu)，如緬甸星龜、人類手部結(jié)構(gòu)，前者展示了復(fù)雜的圖案變化，而后者則清晰展現(xiàn)出骨骼和皮膚的分隔，其剛度與生物對應(yīng)物也相匹配。

這些成果確立了熱塑性增材制造中的晶體調(diào)控技術(shù)可以作為3D打印晶體空間編程的多功能平臺，從而拓展了多材料制造的設(shè)計空間。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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