体积增材制造技术突破，使得通过水凝胶灌注生产复合材料成为可能

2025年7月18日，南极熊获悉，洛桑联邦理工学院 (EPFL)和乌普萨拉大学的研究人员开发出一种新的光固化技术，能够通过体积增材制造 (VAM)技术生产复合材料，克服了这一领域长期以来存在的局限性。

相关研究以题为“Volumetric Additive Manufacturing of Composites via Hydrogel Infusion”的论文发表在《ACS 材料快报》上，展示了打印后水凝胶灌注如何将透明 VAM 打印部件转化为高填料含量的功能性复合材料。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.5c00407?fig=tgr1&ref=pdf

克服体积增材制造技术（VAM）的透明度限制

VAM工艺要求光线干净地穿过树脂槽，从而实现结构体积聚合。这使得材料的选择仅限于透明光聚合物，并且无法使用会散射光的填料。因此，复合树脂大多与当前的VAM技术不兼容。

为了解决这个问题，研究团队采用了Xolography技术，这是一种新的VAM方法，利用交叉光束在容器内定义聚合区域。他们没有使用填充树脂进行打印，而是先打印透明水凝胶，然后在打印后注入金属离子。然后通过化学沉淀原位形成复合填料，从而能够在不影响打印质量的情况下创建磁性和导电部件。

△水凝胶到复合材料的制备过程示意图。图片来自ACS Materials Lett

具有可调性能的磁性导电复合材料

研究人员展示了两种主要应用：利用铁盐和氨水凝胶内生长磁性氧化铁纳米颗粒 (IONP)。颗粒的负载量高达 65 wt%，考虑到 VAM 中光散射填料的通常 0.5 wt% 限制，这一负载量具有里程碑式的意义。此外，研究人员通过还原注入的硝酸银制备了银纳米颗粒复合材料，从而形成能够闭合 LED 电路的导电结构。

△磁性复合材料的表征。图片来自ACS Materials Lett

磁强度、电导率和机械行为等特性可以通过改变温度、注入时间和反应循环次数来调整。虽然较高的温度可以提高磁化强度，但也会降低结构完整性，凸显了性能和耐用性之间的权衡。

△导电银复合材料。图片来自ACS Materials Lett

多材料和空间控制结构

这项研究最具创新性的方面之一是它展示了空间局部的材料转化。通过在沉淀步骤之前选择性地将金属离子注入水凝胶的某些区域，研究人员创建了带有嵌入式驱动区的多材料结构。

演示装置包括一个带有磁性接头的摆锤，可使用外部磁铁旋转，以及一个弹簧结构，响应行为由填料的放置驱动。这种方法可以实现软体机器人、交互式设备或具有特定场地功能的智能结构，所有这些都可以作为一体式打印，无需组装。

△演示设备。图片来自ACS Materials Lett

树脂配方的后制造转化

VAM方法并非在打印过程中开发新的树脂混合物来容纳填料，而是通过应用后制造化学来重新定义问题。单一的水凝胶配方成为用于不同复合功能的模块化平台，从而简化了材料开发流程。

尽管受到多次输注循环过程中降解的限制，作者建议改用化学性质更稳定的聚合物，以支持更高性能的应用。

△多材料弹簧演示。来自ACS Materials Lett.

更广泛的影响和未来方向

这项研究有望在生物医学设备、传感器、机器人和电子产品等领域开启新的应用可能性，因为这些领域都需要多功能材料和几何自由度。这种基于灌注的方法也与其他依赖树脂透明度的VAM平台兼容，包括多光子光刻技术。

相关工艺已申请专利，以上动图展示了对复合结构的远程控制，凸显了潜力。随着体积打印的不断发展，这种水凝胶注入方法可能会改变行业对功能材料集成的处理方式。

体积和基于水凝胶的增材制造技术不断发展

近年来，体积增材制造 (VAM) 技术发展迅速。今年早些时候，EPFL 的研究人员推出了一款基于 MEMS 的全息 VAM 平台，利用微镜来提高分辨率、能效和可扩展性，为断层扫描打印系统带来了极具潜力的升级。此外，Xolo 推出的Xube²体积打印机扩展了 Xolography 的商业潜力，支持从软材料到光学器件的各种应用。

与此同时，加拿大国家研究委员会开发了VAM 自动曝光系统，通过补偿可变的树脂特性和减少固化过程中的过度曝光来改善过程控制。

Ji等人的最新研究弥补了这些进展的不足，解决了一个关键的材料限制：传统VAM工艺与复合树脂的不兼容性。通过实现打印后灌注和原位纳米颗粒合成，研究人员引入了一种在VAM工作流程中生产功能性复合材料（包括磁性、导电性和空间可编程结构）的实用方法。