2026年首篇3D打印Science！

3D打印技術參考注意到，2026年首篇與3D打印技術相關的Science正刊文章于1月29日刊發。來自美國桑迪亞國家實驗室、德克薩斯大學奧斯汀分校、俄勒岡州立大學、亞利桑那州立大學等的聯合團隊發表了題為“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新的光控3D打印方法，它能夠在三維空間中實現對高分子材料的結晶過程的微觀編程控制，從而能夠調控其機械與光學性能，還能實現快速制造，為信息存儲、軟機器人和能量阻尼等開辟了新的應用途徑。

簡單的說，就是傳統注塑或3D打印只能制造結構統一的材料，無法在同一零件不同區域實現性能變化。而要實現材料性能變化，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，就實現了從剛性到塑性的梯度變化。

研究背景與挑戰

半結晶熱塑性塑料的結晶度可以被輕松調控，從而調整材料的整體化學和機械性能，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可以調控材料的整體結晶性質，但如果能夠在單一材料中實現結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，盡管半結晶聚合物已經在工業端廣泛使用，但在光聚合3D打印領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方式快速轉化為高分子量聚合物存在挑戰，同時，層層沉積過程中結晶區域之間的界面結合也很脆弱。

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強界面結合并能調控其結晶度實現性能改變。

關鍵發現

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

1）能夠在幾秒內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光照或黑暗條件下仍能發生“次級復分解”，能夠將新舊打印層化學縫合在一起，從而解決了層間結合脆弱的難題。

控制多環辛烯（pCOE）立體化學和照射強度下的結晶率百分比

這項研究最關鍵的發現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，聚合會產生更多的反式構型，使得分子鏈排列更規整，結晶度更高，材料的強度和硬度都很高。而在高光照強度下，聚合會產生更多的順式構型，分子鏈的排列更為松散，結晶度低，材料的韌性就比較高。

研究人員分析指出，導致這一現象的原因在于高光照強度降低了催化劑的“活性”，最終使得結晶度低，從而導致材料性能的變化。因此，可以通過調節光照強度來控制聚合物立體化學反應，為控制材料結構性能開創了一種新方法。

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。灰度圖像的投影產生了輻照強度的空間變化，進而產生晶體度。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控）。灰度值范圍從G0（黑色）到G255（白色），對應強度從0到168mW/c㎡。

熱塑性塑料增材制造

晶體調控-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打印獲得了高度結晶的材料，楊氏模量為~250MPa，屈服應力為19MPa，斷裂時的平均應變超過700%。增加光強使楊氏模量降低至120MPa，屈服應力為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出類似的機械行為，說明層間結合力很穩定，層間強度可能由聚合物糾纏和二次復刻引起。

對光編碼立體控制

為評估熱穩定性和再加工性，研究人員對高結晶度和低晶體樣品進行了熱循環實驗，并分別進行溶解測試來探究可重復3D打印的特性。在熱循環過程中，樣品反復加熱高于和低于其各自的熔點。低于熔點加熱對結晶性沒有影響，而在熔點以上循環則降低結晶度和熔點，另外兩次高溫循環逐漸降低了結晶度以及熔點。此外，通過將聚合物溶解于甲苯并用溶劑鑄造成新薄膜，未實現交聯，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晶度的區域。為進一步測試該技術在復雜結構制造方面的潛力，他們還打印了生物結構，如緬甸星龜、人類手部結構，前者展示了復雜的圖案變化，而后者則清晰展現出骨骼和皮膚的分隔，其剛度與生物對應物也相匹配。

這些成果確立了熱塑性增材制造中的晶體調控技術可以作為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計空間。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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