破解CAL打印“热失控”魔咒：新树脂化学体系将温升从59°C降至3.5°C

前两天看到一项发表在《自然·通讯》上的研究，讲的是诺丁汉大学和伯克利的研究人员在体积3D打印上找到了一个抑制零件过热融合的办法。

这种技术叫计算轴向光刻，也就是CAL，是一种体积增材制造工艺，通过将图案化的光线投射到旋转的液体树脂槽里，一次性固化整个3D物体，几秒钟就能成型，不需要逐层构建。

坦率的讲，这个方法成型速度很快，但有个毛病：树脂硬化时的化学反应会释放热量，如果不控制，热量会让成品变形，限制可打印的尺寸，也阻碍了这项技术往更大规模、更实用的方向发展。

你想想看，CAL用的是自由基聚合（FRP），反应一启动就会迅速产生热量，引发一个自增强循环，也就是特罗姆斯多夫效应，或者叫凝胶效应。温度较高的区域固化更快，释放更多热量，最后把本该分开的特征给扭曲或融合在一起了。

研究人员的解决办法，其实就是往树脂里加一种叫可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）的试剂，它能在生长链之间转移自由基，调控链增长，在打印速度不减慢的情况下让这个失控过程慢下来。诺丁汉工程学院的Eduards Krumins说，这就像反应内置的调节器，既能减缓又能调节材料的形成方式，防止突然的热量峰值，让打印过程稳定又可控。

你猜怎么着？他们拿一种常见的CAL树脂做了测试，叫季戊四醇四丙烯酸酯，不加任何添加剂时，零件在聚合过程中温度上升了59摄氏度。有意思的是，加了0.1%的CPBD，一种二硫代苯甲酸酯类RAFT试剂，温升就降到了27度，而加到0.3%时，温升只有3.5度了。他们测试了五种添加剂，最后找到了一种效果最好的。

热成像和阴影成像也证实了，没有RAFT的树脂几分钟就出现过度固化，而加了0.2%的，就算物体已经成型两分钟，也没看到过固化。所以呢，这个化学体系效果很明显。而且啊，这个配方还顺手解决了热浮力缺陷，也就是热驱动对流导致零件在打印过程中位移的问题。他们打印了一个由三个不同尺寸球体组成的测试件，用标准FRP树脂打印，球体全都融合成了一个整体；而用RAFT配方，球体形成了独立且间距正确的零件，特征间分辨率达到了150微米。同样的方法还可以打印互锁部件，比如一个从打印机里拿出来就能自由旋转的铰链，以及一次打印中嵌套在其他物体里的物体。

添加的化学物质还让3D打印材料在打印完成后可以进一步处理。研究作者还打印了嵌套和互锁的几何结构，利用RAFT试剂保留的反应性末端基团，在打印完成后向零件表面接枝了额外的聚合物涂层。团队利用这一点在打印表面涂覆了抗细菌附着的材料，算是向打印具有多重内置功能物体迈出了一步。

说到底，这还是在反应动力学上做文章，通过一个小添加剂打断了链式反应。当然，现在还只是在实验室阶段，离大批量商用还有距离，但思路挺有意思，也许能推动体积打印往更实用的方向走。

诺丁汉和伯克利的方法针对的是限制该打印方法规模化能力的一个特定瓶颈，就是热量管理，通过在树脂化学层面解决，而不是依赖外部硬件。热量一直是树脂基3D打印普遍面临的挑战。西北大学的研究人员在构建高速树脂打印机HARP时也遇到了同样的问题，他们发现快速打印过程中产生的热量会导致部件开裂和变形，而且随着打印机尺寸增大而加剧。他们通过机械方式解决了这个问题，使用一种不粘的氟化油流经打印窗口，带走热量并保持打印过程中的温度稳定。与之前的方案相比，诺丁汉和伯克利的方法表明，解决3D打印热量问题不止一种途径，无论是从外部移除热量，还是像本例中那样从树脂内部控制热量。

这项研究题为《通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合增强体积增材制造》，由Eduards Krumins、Yaxuan Sun、Long Jiang、Vincenzo Taresco、Daniel J. Keddie、Ricky D. Wildman、Hayden Taylor和Derek J. Irvine共同完成。