Cell子刊：高保真光固化打印新策略

光固化3D打印技术广泛应用在制造、医疗、能源、生物医学、艺术等多个领域。然而，光固化树脂在打印过程中的结构收缩和翘曲现象限制了其在高精度领域的应用。目前商用3D打印光敏树脂结构的体积收缩率高达10%，尺寸偏差超过0.1%。因此，开发一种简单、高效且通用的策略来提高光固化3D打印的精度和结构保真度，是该领域的关键挑战。

近日，受水母体内微型气囊独特的结构-功能关系的启发，中国农业科学院麻类研究所与基因组所共建的材料联合中心梁翔禹团队，联合南方科技大学和中国计量大学合作在Cell子刊《Cell Reports Physical Science》上发表文章“High-precision 3D printing by deploying expandable microspheres”，提出了一种通过在光敏树脂中引入热膨胀微球来提高光固化3D打印精度的新策略。该策略通过在光固化过程中利用微球的热膨胀特性，有效补偿了结构收缩，显著提高了打印件的尺寸精度和结构保真度（如图1所示）。采用该方法可将光固化3D打印成品的体积收缩率降至3.98%以下，同时提高精度，尺寸偏差仅为0.035%。此外，该方法并未影响材料的机械性能，扩展了其原有的应用场景。

   图1. 高精度光固化3D打印策略的仿生设计与实现，热膨胀微球构效特性及优异的综合性能（收缩率、翘曲率、机械强度、打印适性）。

为了验证该3D打印策略优异的综合性能，论文作者打印了多种复杂3D模型并进行了测试。相对于传统光固化方案，热膨胀微球的加入不仅有效地抑制了模型的收缩与翘曲（如图2所示），从而显著提高了结构保真度，同时不牺牲原有的如抗拉伸性、抗压缩性和抗弯曲性等机械性能，还具有成本效益等优势。此外，论文作者采用热弹性模拟（体积变化、内部应力及分布）印证了实验所揭示的提高3D打印精度的设计策略：通过微球膨胀补偿光固化收缩，达到机械稳定性与高精度的平衡。这种方法代表了一种提高 3D打印领域制造精度的通用策略，在机器人、可穿戴电子设备、先进设备等精密制造领域开辟了开拓了广阔的应用前景。

      图2. 不同模型通过部署膨胀微球提高光固化3D打印精度。

该研究得到中国农业科学院“优秀青年英才”计划、中国农业科学院创新工程联合攻关重大专项、广东省自然科学基金青年项目、湖南省自然科学基金青年项目、深圳市优秀创新科技人才项目（博士启动）、深圳市和大鹏新区博士后出站科研资助等经费支持。

论文链接：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(24)00391-6