Xolography 助力微重力 3D 打印，开启太空制造新时代

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在太空探索中，3D打印技术对实现太空制造意义重大，但当前多数3D打印技术受重力影响显著，在微重力环境下难以有效应用。像基于粉末床融合和 vat光聚合的技术，在微重力下需要复杂的辅助装置来解决材料沉积和固定问题；挤出式打印虽有研究，但也存在局限。这成为太空制造技术发展的一大阻碍。  

德国xolo公司Niklas Felix König团队聚焦于Xolography这一体积3D打印技术，该技术利用双光束引发光聚合反应，具备独特优势。团队通过实验研究重力和光聚合物流变学对Xolography打印过程的影响，验证其在微重力环境下的打印可行性。研究发现，在微重力下，Xolography可使用低粘度配方进行快速精确打印，不受材料流变学限制，能实现无支撑结构、高分辨率的3D打印。这一成果为太空制造提供了新的解决方案，有望推动太空制造技术的发展。相关工作以“Xolography for 3D Printing in Microgravity”为题发表在《Advanced Materials》上。

1. Xolography技术原理及微重力实验装置展示
通过示意图和3D模型展示的研究方法，介绍Xolography技术利用双光束引发光聚合的原理，以及适应抛物线飞行微重力实验的打印机设计，研究该技术在微重力环境下的工作基础。结果表明，此技术通过独特光引发机制实现空间控制聚合，打印机设计满足微重力实验需求。

图1. 微重力下的Xolography技术

2. 不同重力环境中牛顿流体光聚合物打印的运动分析
以具有牛顿流体行为的光聚合物为研究对象，在微重力（μG）和地球重力（1G）环境下，通过在矩形基板上连续打印标记并测量其位置变化，研究不同粘度光聚合物打印时基板的运动情况。结果显示，微重力下牛顿流体光聚合物打印的基板无垂直运动；地球重力下，其运动与粘度相关，且因聚合热影响出现先上浮后沉降现象。

图2. 微重力和1G环境下矩形基板在打印过程中的垂直运动

3. 非牛顿流体光聚合物在不同重力下的打印效果
针对具有非牛顿流体行为的光聚合物，在地球重力（1G）和超重力（最高1.8G）环境下，采用打印基板并跟踪其垂直运动，以及打印复杂模型（如罗丹的《思想者》）的方法，研究其打印稳定性。结果表明，非牛顿流体光聚合物凭借屈服应力，在不同重力条件下都能实现无明显位移的稳定打印。

图3. 使用具有屈服应力的光聚合物在1G和超重力条件下的无变形打印

4. 微重力下Xolography技术的打印分辨率探究
在微重力环境中，选用塑料光聚合物1C和水凝胶配方3，以不同尺寸和形状的特征结构为打印目标，通过显微镜观察打印后的结构，研究Xolography技术的打印分辨率。结果显示，该技术能实现高分辨率打印，塑料光聚合物1C和水凝胶配方3分别可分辨小至30μm和20μm的特征，且水凝胶打印边缘清晰，尺寸精度高。

图4. 微重力环境下20秒内打印的分辨率目标（打印速度6mm/min）

5. Xolography在微重力下的打印成果及应用展示
利用Xolography技术在微重力或超重力环境下打印多种模型，如航天器械、光学元件、微流体结构、生物模型等，研究该技术在不同领域的应用潜力。结果表明，Xolography可打印出复杂且精细的结构，在微流体芯片、生物打印、光学制造等领域展现出良好的应用前景，打印的光学元件表面光滑，生物相容性水凝胶结构满足生物研究需求。

图5. 抛物线飞行实验的示例性打印概述

研究结论
本研究探索了 Xolography 在太空 3D 打印的可行性与潜力。相较于传统增材制造技术，该体积打印技术融合了制造速度与分辨率的优势，且能适应多种重力条件。研究详细分析了光聚合物流变学和打印物体的垂直运动，发现牛顿流体和非牛顿流体光聚合物均可在微重力下实现高分辨率、无变形打印。在地球重力下，牛顿流体光聚合物的漂浮和沉降速度与粘度呈负相关，而非牛顿流体光聚合物通过控制屈服应力，能在 1G 甚至 1.8G 的超重力下稳定打印。研究还涉及塑料和水凝胶两类材料，在微重力及变重力条件下成功制造出高分辨率的复杂几何结构。这表明 Xolography 在太空制造领域前景广阔，有望实现按需制造 。

挑战与展望
目前用于该技术的光聚合物体系相对有限，需要开发更多种类、性能更优的材料，以满足太空制造中不同应用场景的需求。此外，进一步提升打印速度的同时保证打印质量，以及优化打印机设计使其更适应太空长期任务的特殊环境，也是亟待解决的问题。未来，Xolography 有望与其他新兴技术结合，拓展在太空的应用范围，比如用于制造更复杂的太空设备组件、构建太空生物培养体系等。随着技术的不断完善，Xolography 将为太空探索和长期驻留提供有力支持，推动太空制造产业的发展 。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adma.202413391