近日，由Mejia等人领导的研究团队取得了一项重要技术突破，他们成功开发出一套用于直写成型（DIW）3D打印技术的实时监控与控制系统，专门用于解决热固性聚合物在打印过程中的固化控制难题。该技术特别针对通过“前沿聚合”机制固化的热固性材料，实现了对聚合反应过程的精确掌控。这项开创性的研究成果已发表于知名期刊《npj-先进制造》（npj Advanced Manufacturing）https://www.nature.com/articles/s44334-025-00032-1 。
技术原理：眼睛与大脑的完美结合
热固性聚合物在固化时会发生交联反应，其过程复杂且难以控制，传统的预设参数打印方式经常导致固化不均、零件变形或性能不达标。该研究团队的创新之处在于为3D打印机装上了“眼睛”和“大脑”。
“眼睛”（实时监测）：系统集成了红外热成像仪和光学传感器。红外热成像能够实时绘制打印区域的温度地图，精准捕捉材料聚合时释放热量的区域；光学传感器则通过追踪材料透明度或颜色的变化（通常通过添加热致变色染料实现，如图a、d所示），来判断化学反应的转化速率。
“大脑”（智能决策）：采集到的数据会立即传入一个闭环控制系统。该系统内置机器学习算法，能够分析“前沿聚合”的推进速度和状态（如图b、c所示的自动边缘检测和前沿速度计算），并动态调整打印参数，如墨水挤出速率、打印头温度和移动速度等，从而实现对固化过程的主动、自适应控制，超越了传统依赖固定阈值的滞后控制方式。
显著优势：更优、更快、更省
研究人员在工业常用的丙烯酸基热固性墨水上进行测试，并将打印出的原型与传统方法固化的样品进行了对比。结果表明，该技术带来了多重优势：
提升质量：打印部件的固化均匀性、机械强度和尺寸精度均获得显著提高。
提高效率：通过实时优化，有效减少了打印所需时间。
减少浪费：精准的控制避免了因打印失败而产生的材料浪费。
应用前景：开放兼容，潜力巨大
该系统的设计秉持开放理念，采用商用现成组件和开源软件框架，便于集成到现有的工业3D打印机中，降低了技术升级的门槛和成本。研究人员指出，他们的传感器组合和控制算法同样适用于其他经历热激活反应的材料体系，如硫醇-烯点击化学和环氧树脂网络等。
这项技术为解决高性能热固性聚合物材料的复杂结构制造提供了关键工具，有望在航空航天、汽车制造、电子封装和生物医疗等多个领域推动智能制造的广泛应用。
图示说明：
a) 添加热致变色染料的p(DCPD)材料在固化过程中的DIW 3D打印黑白静态图像。
b) 对感兴趣区域和参考点进行边缘识别处理。
c) 自动化的前沿检测和距离确定，用于计算前沿速度。
d) 不同热致变色染料负载下的原位检测精度。
（图片来源：Mejia et al.）
来源：scienmag.com
编译：深山闲士
