歡迎星標 果殼硬科技

2024年5月28日密蘇里大學林見教授課題組，在Nature Communications發表題為“Programmed multimaterial assembly by synergized 3D printing and freeform laser induction”的研究論文。果殼硬科技邀請了論文第一作者鄭卜靜達撰寫解讀文章。

自然界中的許多生物結構通過復雜的三維組裝和功能材料的有機結合，能夠執行各種復雜的功能。這一自然現象啟發了科學家們在人工制造領域中探索如何將不同材料集成到單一的3D結構中，從而實現多功能設備的制造。然而，傳統的制造工藝在面對多材料集成時存在很大挑戰，例如：

1. 材料選擇有限：現有的擠出式增材制造方法只能使用一些冷擠出材料，無法使用如PLA和PETG等常見熱塑性耗材。此外，導電材料，如導電PLA，的電阻較高，無法滿足電子器件對低電阻的要求。

2. 制造精度和復雜性：傳統工藝如模具制造、焊接和機械加工在制造復雜幾何結構和細微特征時存在局限性。特別是在制造微米級甚至納米級結構時，精度和細節控制變得尤其困難，導致成品質量不穩定。

3. 多步驟工藝流程：多材料制造通常需要多個獨立的工藝步驟，包括材料預處理、涂覆、燒結和后處理等。這些步驟不僅增加了制造時間和成本，還增加了出錯的概率，降低了生產效率。

4. 功能集成困難：在傳統工藝中，將功能材料（如導電材料、半導體材料）精確地集成到結構材料中，實現特定的功能設計（如傳感、發光等）通常需要復雜的組裝和連接，這不僅增加了制造難度，還提高了失敗的風險。

此前，為了深入挖掘激光直寫在曲面器件制備上的潛力，鄭卜靜達博士和林見教授合作開發了曲面激光直寫技術。他們的研究成果發表在Adv. Funct. Mater.上 (doi.org/10.1002/adfm.202210084)，如圖1所示。雖然這項工作通過用五自由度激光解決了三自由度激光直寫工藝在曲面上制備器件的難題，但其只能在目標基底表面制作器件，無法將功能材料嵌入三維目標基底內，從而大大限制了該技術的潛力。因此，在本文中，我們通過結合DIW和FFF工藝，進一步挖掘了曲面激光直寫的潛能。

圖1 自由曲面激光工藝的五自由度激光平臺

圖2展示了以下內容：(a) 五軸3D打印激光復合系統，(b) FMAP所使用的FFF熱端、DIW擠出頭和激光模組，(c) 通過FMAP工藝制造包含LIG（由PC誘導生成）和銀線圈的3D無線LED器件的工作流程，(d) 無線LED的實物、其三維結構展示及功能測試，(e) 用LIG（由木質素誘導生成）和銀電極制成的3D無線LED，其結構材料為TPU。

相比于其他多材料制備工藝，FMAP工藝（圖2(a)）的巧妙之處在于利用激光將本不導電的基底材料變成導電材料，省去了第二種材料的打印步驟。其結合了3D打印技術和曲面激光直寫（FLI）技術。3D打印技術（熔絲制造（FFF））主要用于快速成型結構材料，而墨水直寫（DIW）和FLI技術則利用激光的高分辨率在預設計的三維空間內精確制造功能材料（圖2(b)）。通過同時使用這三種工藝，研究人員能夠在定制的3D結構中集成各種功能材料，如激光誘導石墨烯、金屬和半導體，從而實現無浪費的多功能器件制造。

通過FMAP工藝，功能材料可以被封裝在打印的3D結構內部或制備在表面，形成一體化的功能性3D設備。例如，研究團隊展示了利用這一技術制造的無線LED。這一制造過程包括使用FFF打印聚碳酸酯（PC）結構，接著通過激光選擇性地將PC轉化為激光誘導石墨烯（LIG）線圈，再通過DIW打印銀前驅體，最終通過激光將銀前驅體轉化為高導電性的LIG/Ag線圈（圖2(c)）。除了PC，研究團隊還展示了使用無法被激光碳化的材料（如TPU）作為結構材料，制造出由LIG（通過DIW打印的木質素誘導生成）和銀電極構成的3D無線LED（圖2(e)）。

圖3由FMAP工藝制造的(a)多層印刷電路板，(b)基于電容傳感器的遙控器，(c)電容滑動條

FMAP技術的應用前景非常廣泛。以下是幾個具體的應用示例：

1. 電子設備（圖3）：通過將功能材料集成到3D結構中，可以制造出具有特定電子功能的設備。例如，多層印刷電路板，電容傳感器和無線微控制器結合的遙控器，和基于自電容傳感器的人機交互設備。

圖4 (a)紫外強度傳感器，(b)內嵌LIG應變傳感器的彈簧，(c)作為旋轉編碼器使用的電磁鐵

2. 傳感器（圖4）：FMAP工藝可以輕松地將功能材料集成到3D打印結構的內部或表面，以制備多種傳感器。例如，可以制造將銀作為電極、氧化鋅作為傳感材料的紫外強度傳感器，內嵌LIG的PC彈簧，以及將鐵粉作為磁芯、三維銀導線作為線圈的電磁鐵。

圖5 (a)通過內嵌焦耳加熱器的微流體反應器合成ZIF粒子，(b)微流體反應器實物圖，(c)反應器在不同流速下的紅外照片，(d)有限元模擬結果，(e) 在加熱和不加熱情況下的反應結果。

3. 功能性微流體（圖5）：在微流控反應器中集成焦耳加熱器，可以實現對反應過程的精確控制，應用于化學合成和生物醫學研究中。

FMAP工藝的提出和驗證標志著多材料3D打印技術的一個重要里程碑。這項技術不僅簡化了多功能3D設備的制造流程，還顯著提高了材料利用效率，減少了生產過程中的廢棄物。更重要的是，FMAP工藝突破了傳統制造工藝的限制，使得在單一裝置中實現功能材料和結構材料的編程裝配成為可能。

通過FMAP工藝，研究人員能夠在3D結構的內部或表面精確地構建功能材料，使得制造復雜的多功能設備成為現實。這一技術的成功展示預示著其在電子、傳感器、人機界面、機器人和功能性微流體等領域的廣泛應用前景。

密蘇里大學和萊斯大學的研究團隊通過開發和應用這一技術，開創了多材料3D打印和激光直寫復合技術的新篇章，展示了其在未來制造業中的巨大潛力。

論文信息

發布期刊 Nature Communications

發布時間 2024年5月28日

文章標題 Programmed multimaterial assembly by synergized 3D printing and freeform laser induction

（https://doi.org/10.1038/s41467-024-48919-5）

發布期刊 Advanced Functional Materials

發布時間 2022年10月26日

文章標題 Direct Freeform Laser Fabrication of 3D Conformable Electronics

（ https://doi.org/10.1002/adfm.202210084）

鄭卜靜達 | 作者

酥魚 | 編輯

高分子科技 | 來源

如果你是投資人、創業團隊成員或科研工作者，對果殼硬科技組織的閉門會或其它科創服務活動感興趣，歡迎掃描下方二維碼，或在微信公眾號后臺回復“企業微信”添加我們的活動服務助手，我們將通過該渠道組織活動——