能源环境与安全工程学院教师团队在Cell子刊《Cell Reports Physical Science》上发表论文

近日，我校能源环境与安全工程学院，能源动力研究所王进卿副研究员与南方科技大学刘吉副教授、深圳基因所梁翔禹博士、义乌市赛恩斯高分子材料有限公司楼钦教授级高工等合作，在Cell子刊《Cell Reports Physical Science》发表题为“High-precision 3D printing by deploying expandable microspheres”的研究论文。这是《Cell Reports Physical Science》首次刊发以我校为第一完成单位的论文，中国计量大学2020级硕士研究生徐旸、南方科技大学王福成为该论文共同第一作者，中国计量大学王进卿、南方科技大学刘吉、深圳基因所梁翔禹为共同通讯作者。

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。

受水母体内微型气囊独特的结构-功能关系的启发，团队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。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

为了验证该3D打印策略优异的综合性能，团队打印了多种复杂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，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，团队采用热弹性模拟（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

该论文的选题源自企业的实际需求，充分体现了我校“订单式”研究生培养方案的成功实践。通过这一培养模式，学校与企业签订联合培养协议，在产教融合和校企合作过程中实现科研成果的共享，并在成果转化后共同受益，充分发挥了协同育人的作用，推动了人才培养模式的改革与创新。校企合作培养研究生的模式，将学术研究与实际应用紧密结合，不仅加速了科研成果的转化与应用，还有效提升了企业的技术创新能力，实现了双方的共赢。

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