RIT 研究人員開發(fā)3D打印自修復(fù)光聚合物，以延長(zhǎng)零件壽命和可持續(xù)性

2025年5月22日，南極熊獲悉，羅徹斯特理工學(xué)院(RIT)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種用于 3D 打印的自修復(fù)光聚合物系統(tǒng)，可在損壞后恢復(fù)機(jī)械性能，旨在提高可持續(xù)性并減少材料浪費(fèi)。

研究團(tuán)隊(duì)由博士生 Vincent Mei 領(lǐng)導(dǎo)，并與 Kory Schimmelpfennig 和 Christopher L. Lewis教授合作，采用雙相材料配方，可同時(shí)增強(qiáng)基于光聚合物的增材制造的耐用性和可修復(fù)性。

該項(xiàng)目是RIT最新研究重點(diǎn)，它提出了一種將自修復(fù)功能集成到高分辨率光固化3D打印工藝中的途徑。此類材料可以減少航空航天和生物醫(yī)學(xué)等高要求環(huán)境中零件更換的需求，從而降低成本并減少對(duì)環(huán)境的影響。

光聚合物創(chuàng)新助力可持續(xù)發(fā)展

光聚合物因其精度高且適用于復(fù)雜的幾何形狀，在增材制造中得到廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的光聚合物往往易碎且易損壞，限制了在功能性或承重應(yīng)用中的使用。通過將熱塑性聚合物與傳統(tǒng)的紫外光固化熱固性樹脂相結(jié)合，RIT 團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種可打印的共混物，它既能保持形狀穩(wěn)定性，又能通過熱激活實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。

這兩種材料在打印過程中會(huì)形成均勻透明的樹脂混合物。固化后，它們會(huì)分離成互鎖相：熱固性材料提供機(jī)械剛性，而熱塑性材料可以重新熔化并流入裂縫或斷裂處。冷卻后，熱塑性材料會(huì)重新固化，從而有效地密封受損區(qū)域。

△雙相光聚合物策略，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械增強(qiáng)、自修復(fù)和3D打印性能。這一配方整合了熱固性和熱塑性成分，以實(shí)現(xiàn)高分辨率SLA打印，并直觀地演示了斷裂恢復(fù)和打印保真度。圖片來自RIT。

已證明的性能和應(yīng)用

研究人員報(bào)告稱，新型樹脂配方在修復(fù)后幾乎可以恢復(fù)全部原始機(jī)械強(qiáng)度，并且在某些情況下，與傳統(tǒng)的光聚合物體系相比，表現(xiàn)出更高的韌性和強(qiáng)度。這些結(jié)果在航空航天、軟機(jī)器人、涂料和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域尤為重要，因?yàn)檫@些領(lǐng)域的長(zhǎng)使用壽命和可靠性至關(guān)重要。

1993年至2009年間，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的五次維修任務(wù)耗資數(shù)十億美元，凸顯了可現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)部件的潛在價(jià)值。RIT項(xiàng)目建議，在關(guān)鍵部件中使用自修復(fù)材料可以減少有效載荷需求，并實(shí)現(xiàn)更輕、更可持續(xù)的任務(wù)配置。

平衡可打印性和成形性能

盡管熱塑性材料具有機(jī)械優(yōu)勢(shì)，但也給3D打印帶來了挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)目前正在改進(jìn)樹脂配方，以在易加工性、最佳修復(fù)性能和耐用性之間取得平衡。最終目標(biāo)是開發(fā)出適用于SLA和DLP打印工作流程的商業(yè)化樹脂系統(tǒng)。

這項(xiàng)研究為旨在擴(kuò)展可打印材料功能的眾多研究增添了新的內(nèi)容。隨著增材制造技術(shù)向更具可持續(xù)性和應(yīng)用針對(duì)性的材料發(fā)展，自修復(fù)聚合物有望成為延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命和減少環(huán)境浪費(fèi)的關(guān)鍵技術(shù)。

增材制造中的自修復(fù)材料

自修復(fù)材料在增材制造領(lǐng)域發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，研究人員致力于通過嵌入可自主修復(fù)損傷的結(jié)構(gòu)來解決易碎、一次性打印部件的局限性。代爾夫特理工大學(xué)最近的一項(xiàng)研究展示了一種熱塑性聚氨酯 (TPU) 長(zhǎng)絲，它在 FDM 打印后可在室溫下自修復(fù)，無(wú)需后處理加熱即可恢復(fù)機(jī)械完整性。這種 TPU 在軟體機(jī)器人或柔性電子產(chǎn)品領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，因?yàn)槟陀眯院鸵仔迯?fù)性對(duì)這些領(lǐng)域至關(guān)重要。

△3D打印SH-TPU樣品圖片，尺寸約為10× 20 × 5毫米。圖片來自《Recent Advances in Self-HealingPolymers》

與此同時(shí)，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)與美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室合作，研發(fā)出用于打印結(jié)構(gòu)的自修復(fù)可回收彈性聚合物。這些材料在加熱后可以重新形成斷裂的共價(jià)鍵，從而能夠快速修復(fù)假肢或飛機(jī)部件等功能部件。

△聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列可重復(fù)使用、自修復(fù)的彈性體3D打印材料（如圖）。圖片來自德克薩斯農(nóng)工大學(xué)

早期的項(xiàng)目，例如南加州大學(xué)的3D 打印彈性體研究和墨爾本大學(xué)的自修復(fù)凝膠，強(qiáng)調(diào)了橡膠類材料和光學(xué)透明凝膠的修復(fù)潛力，不僅展示了可修復(fù)性，還展示了可穿戴設(shè)備和柔性電子產(chǎn)品的可能性。

另一種值得注意的方法來自拉馬爾大學(xué)，其中SLA 打印結(jié)構(gòu)嵌入了充滿治療樹脂的內(nèi)部?jī)?chǔ)存器；一旦破裂，膠狀劑就會(huì)釋放出來并在原位固化以恢復(fù)完整性，這是一種受仙人掌血管網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)的仿生設(shè)計(jì)。

綜上所述，這些進(jìn)展凸顯了多樣化的戰(zhàn)略格局，涵蓋基于線材、樹脂混合和結(jié)構(gòu)性儲(chǔ)層系統(tǒng)，所有這些戰(zhàn)略都致力于打造高彈性打印部件。它們?yōu)镽IT項(xiàng)目奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，該項(xiàng)目集成了一種熱塑性/熱固性雙相光聚合物，能夠同時(shí)進(jìn)行高分辨率打印和熱激活修復(fù)，為不斷發(fā)展的可持續(xù)耐用增材制造材料生態(tài)系統(tǒng)增添新的內(nèi)容。