Nature子刊：弗莱堡大学工程师开发出嵌入式挤压和体积固化的单步多材料3D打印

2025年7月25日，南极熊获悉，弗莱堡大学的研究人员推出了一种体积3D打印工艺，能够在单个固化步骤中生产复杂的多材料部件和微尺度内部通道。

这项名为“嵌入式挤出-体积打印”（EmVP）的方法已在《自然通讯》上发表的一篇题为“Additive manufacturing of multi-material and hollow structures byEmbedded Extrusion-Volumetric Printing”的同行评审研究中进行了详细介绍，它将嵌入式3D打印（EMB3D）与断层扫描体积增材制造（TVAM）相结合，无需更换料桶或打印后校准。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62057-6

EmVP工艺在投影之前将一种材料嵌入到另一种材料中，使用 EMB3D 将墨水沉积到光聚合支撑槽中。然后使用 TVAM 同时聚合两种材料。为了实现同步，弗莱堡团队设计了两种材料的凝胶时间，使其趋于一致：嵌入的高模量墨水（Mat 1）为 59.8 秒，低模量支撑槽（Mat 2）为 64.7 秒。每种树脂均用 Aerosil R805 改性，以形成适用于挤出和体积固化的触变性基质。折射率差异被最小化，以减少曝光过程中的光散射。

△使用支撑槽的正负嵌入式挤压体积打印 (EmVP) 打印工艺示意图。图片来自《自然通讯》。

垫片 1 以己二醇二丙烯酸酯(HDDA) 为基体，肖氏 D 硬度为 27.4，弹性模量为 122 MPa。垫片 2 以Genomer 1122TF 为基体，肖氏 D 硬度为4.9，弹性模量为 1.28 MPa。为防止打印过程中出现沉淀，两种树脂的增稠度均超过 2000 mPa·s。剪切力消除后，垫片 1 的恢复时间为 4.7 秒，垫片 2 的恢复时间为1.7 秒，从而实现了精确的油墨沉积和稳定。紫外-可见光谱法证实，两种材料在 TVAM 设置中使用的 450 nm 投影波长下均保持了足够的透射率。

通过 EmVP 制造的多材料部件包括堆叠的双硬度球体、嵌入柔性圆柱壁的细丝，以及由刚性嵌入环加固的软壳组成的执行器。EMB3D 实现的嵌入细丝直径为 175 微米。其中一个结构以罗丹的“思想者”为原型，置于嵌入软树脂主体的刚性平台上，变形测试证实了选择性机械响应。通过微 CT 测定，打印几何形状与模型几何形状之间的平均豪斯多夫距离为 0.23 ± 0.28毫米，证明了体积材料转变的空间保真度。

△采用正片EmVP 工艺打印的部件选型。图片来自《自然通讯》。

除了正向材料集成外，研究人员还使用牺牲油墨来形成嵌入式空隙。这种工艺被称为负向EmVP，通过在体积固化后冲洗掉非光聚合性油墨，可以直接制造空心微通道。团队使用Pluronic PE3100作为牺牲相，打印了Y型连接芯片和螺旋圆柱形设计，内径小至119微米。这一分辨率超过了独立TVAM系统500微米的分辨率下限，而过度固化和扩散效应通常会限制负向特征的保真度。通道直径通过15微米体素分辨率的microCT扫描进行验证。

与顺序多材料体积打印 (SMVP) 相比，EmVP 无需额外的支撑结构、复杂的机械定位或双波长投影系统。SMVP 要求每次固化一种材料，然后更换打印槽并进行对准。相比之下，弗莱堡大学的 EmVP 技术则在一个体积打印步骤中完成所有固化过程，嵌入的材料通过周围介质的流变特性固定到位。

△负向EmVP 工艺用于打印带有小通道的 3D 微流体芯片。图片来自《自然通讯》。

EmVP 的先前实现仅限于套印，即将一种材料完全包裹在另一种材料中。本研究扩展了这一技术，实现了由不同材料组成的暴露且空间不同的区域。通过仅沉积必要的最小墨水量，研究人员最大限度地减少了渗出伪影并缩短了 EMB3D 打印时间。这种选择性沉积与投影优化相结合，使用对象空间模型优化(OSMO)，优化通过比例积分直方图均衡化进行改进。投影计算通过体素化 3D 模型、进行正向投影以模拟光路，并迭代调整剂量分布以匹配目标几何形状。

为了在不重新设计光学系统的情况下实现工艺规模化，团队优先考虑将吸收率更高的材料嵌入少数相，使凸起能够固化整个结构而不会吸收过多的能量。这种设置能够在不减小像素尺寸或增加系统复杂性的情况下保持分辨率。对于微通道生产，EmVP 通过在 EMB3D 过程中控制针头直径，将通道分辨率与像素密度分离，从而实现比TVAM 单独实现的更精细的内部特征。

△本研究中使用的支撑槽和油墨的光流变性、流变性和光学特性。图片来自《自然通讯》。

EmVP 扩展了体积系统中可打印架构的范围，支持异构机械特性和嵌入式微流体几何结构。应用领域包括软机器人、功能部件原型设计和芯片实验室设备。该技术可在传统的基于 LCD 的 TVAM 硬件上运行，无需使用波长选择性树脂或硬件增强。它能够在单个体积打印步骤中同时生成正负特征，为可扩展的多材料增材制造开辟了一条发展方向。