供稿人：侯虎、连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-01-28
增材制造（AM）也被称为3D打印，在过去十年中受到了学术界和工业界的高度关注，为未来数字化工业开辟了新的机遇。还原光聚合3D打印依赖于光照下树脂配方的局部固化，可分为两种：立体光刻SLA和数字光处理DLP，其通过一次打印一层来制造结构。DLP技术现已比较成熟，但通常仅限于单一材料的打印。面对日益增长的高功能性和模仿生物结构的需求，近年来开始研究多材料打印领域，这种技术可以使具有不同化学、机械、 光学等特性的材料集中到一个对象中，充分利用材料并发挥材料的性能。但通过DLP制造多材料零件的一个突出问题是材料属性只能沿着Z轴改变，而不能在X、Y轴上进行改变，且在打印过程中需要进行材料的更换、打印零件的清洗等步骤，耗费时间较长且打印难度较高。
研究发现，光致变色染料的可逆吸收特性可以用于局部激活或灭活不同波长的光反应，通过使用两个正交光交联反应，可以控制空间中软畴（丙烯酸酯单体在530nm的自由基固化）和硬畴（树脂在470nm的自由基和阳离子同时固化形成互穿网络）的形成。将这种技术应用于DLP 3D打印中，便可实现同种原材料打印出局部具有不同特性的零件。
树脂配方由低分子量丙烯酸酯、Irgacure 819作为可见光吸收自由基光引发剂、3,4-环氧环己基甲基-3,4-环氧环己烷羧酸盐和三苯磺酸盐作为可见光区透明的阳离子光引发剂组成。然后使用自制的DLP设备进行多材料结构的打印，该设备包含两个对齐的投影仪，可在可见光和紫外线下工作，包含两个光引擎，工作在405nm和365 nm，光强度为8 mW/cm2。通过可见光照射，选择性地固化丙烯酸酯树脂，而在紫外线照射下，固化丙烯酸酯和环氧单体，获得具有更高交联密度和相关刚度的互穿网络。
图1 打印原理
图2所示为官能团的转换随波长和照射时间的变化。在两种光源不同时的照射下，发生不同的反应，且两者之间几乎不产生任何反应干涉。通过双波长打印制作的测试样件在120℃下烘烤两小时后，试件在同负载下的弯曲行为（6g金属螺钉）。
图2 官能团的转换随波长和照射时间的变化
这种技术便于引入软致动器或者软机器人系统（如抓手、软机器人运动），可用于制造功能型矫形器或假肢，包括于人体接触的软区和确保设备结构坚固性的硬区，可以进行一个双固化树脂配方库，以涵盖广泛的材料特性。
图3 试样打印