采用双步固化油墨的g-DLP 3D成型工艺能够有效制备具有高功能分布梯度的先进材料。
增材制造技术作为一种极具革新性的设计与生产范式，近年来获得了学术界和产业界的广泛关注。科研人员已将这项技术成功应用于生物组织工程、微电子器件、柔性机器人以及高性能超构材料等多个前沿领域。然而，当前主流的3D打印方法大多局限于单一材料成型，难以实现内部结构的精确调控。与此同时，自然界中的许多复杂结构（例如肌腱纤维或骨骼组织），本质上都是由多种不同性质材料复合而成的。功能梯度材料（FGM）作为一种理想的替代方案，通过优化材料组分的空间分布，能够显著提升基体材料的综合性能。因此，针对FGM的3D成型技术在材料科学领域的战略地位日益凸显。
傅里叶变换红外光谱技术清晰地揭示了实际打印过程中的双阶段固化机理。
根据phys.org网站2019年5月21日的权威报道，《科学进展》等国际知名学术期刊同步发表了相关研究成果。这项研究由来自中国和加拿大等国的跨学科研究团队共同完成，他们开发了一种创新的3D灰度光数字成型技术（g-DLP）。研究团队利用灰度光控制策略和双步固化油墨体系，成功制备出具有纳米级分辨率的FGM样品。为了验证该技术的实用价值，研究团队还成功制造了具有复杂拓扑结构的二维网络结构、三维编织体以及负泊松比超材料等典型范例。
g-DLP成型工艺制备的复合材料在有序结构可调微器件和四维打印技术中的应用（左侧示意图）。梯度材料的结构致密化过程通过扩散机制实现（右侧示意图）。
尽管PolyJet技术能够实现多种材料的同步沉积，但该方法存在设备购置成本高昂、对树脂基材的兼容性要求苛刻、成型分辨率受限等明显不足。其他成型技术，如熔融沉积成型（FDM）和微立体光刻（DLP）等，虽然成本相对较低，但成型速度过慢，限制了其在复杂功能材料制备中的应用潜力。在最近涌现的先进技术中，由埃克森美孚公司开发的连续液面成像（CLIP）技术实现了真正的突破性进展，为新型g-DLP技术的研发提供了重要启示。在新研究中，Kuang研究团队创新性地开发了新型双步固化混合油墨配方，并配套设计了专用的g-DLP 3D成型系统。该混合油墨体系主要包含双酚A二乙氧基丙烯酸酯（BPADA）、甲基丙烯酸缩水甘油醚（GMA）、多官能胺类交联剂、正丁基丙烯酸酯（BA）、光敏引发剂以及光吸收调节剂等组分。通过精确控制单色光的强度参数，可以实现对树脂材料逐层选择性固化，其工作原理与CLIP技术具有相似之处。
Kuang研究团队通过实验证实，g-DLP成型工艺对光照强度的响应呈现非线性特征，并建立了相应的反应动力学模型用于定量分析。此外，研究团队还系统研究了光吸收剂含量与成型分辨率的关系、光固化过程中的化学结构演化规律以及材料宏观力学性能等关键科学问题。通过有限元仿真（FEM）技术，Kuang团队成功预测了材料梯度结构的形成机制和变形行为。实验测量的单点弯曲性能与数值模拟结果高度吻合。
展望未来，研究团队计划进一步优化g-DLP成型工艺参数，以拓展其在复杂功能材料制造领域的应用范围。例如，计划直接实现二维/三维周期性结构、超材料器件以及具有特殊防伪功能的智能材料的一体化制造。
期刊标识码：2375-2548, 0028-0836, 1087-0156
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