【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，廈門(mén)大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院吳德志教授團(tuán)隊(duì)在3D打印取得突破性進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)首次提出并驗(yàn)證“激光原位誘導(dǎo)直寫(xiě)打印”技術(shù)：通過(guò)激光原位誘導(dǎo)與3D打印射流相耦合，顛覆傳統(tǒng)熱固性材料成型方式，實(shí)現(xiàn)三維柔性結(jié)構(gòu)原位、快速成型與性能實(shí)時(shí)調(diào)控。該技術(shù)大幅縮短固化時(shí)間，三維結(jié)構(gòu)成型無(wú)需額外犧牲材料與繁瑣后處理步驟，可在空間維度實(shí)時(shí)編程調(diào)控打印結(jié)構(gòu)機(jī)械與電學(xué)性能。將為柔性電子、軟體機(jī)器人、器官芯片與生物支架等亟需三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)增材制造與多功能集成的領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)全新范式。相關(guān)研究成果以“Laser-assisted direct three-dimensional printing of free-standing thermoset devices”為題，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature electronics(DOI:10.1038/s41928-025-01491-2)。
熱固性材料(如PDMS)微納結(jié)構(gòu)因其具有出色柔韌性、化學(xué)、熱穩(wěn)定性與生物相容性，被廣泛應(yīng)用于柔性電子、軟體機(jī)器人與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)模板法與現(xiàn)有3D打印技術(shù)制備熱固性功能器件存在制備時(shí)間長(zhǎng)、需要支撐結(jié)構(gòu)、處理步驟多和性能無(wú)法在線調(diào)控等缺陷。當(dāng)前，通過(guò)熱、聲和紫外光場(chǎng)等輔助直寫(xiě)打印技術(shù)在固化效率、材料兼容性與性能調(diào)控方面仍存局限。
有鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)提出激光原位誘導(dǎo)直寫(xiě)3D打印技術(shù)：引入激光原位照射在微尺度射流誘導(dǎo)局域光熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)百毫秒內(nèi)熱固性材料快速交聯(lián)(～0.25秒，比傳統(tǒng)方法快5個(gè)數(shù)量級(jí))、無(wú)需支撐材料即可構(gòu)建任意形狀三維結(jié)構(gòu)(如大斜度角度或水平懸垂結(jié)構(gòu))并具有高度靈活的性能時(shí)空調(diào)控能力。該打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)50μm結(jié)構(gòu)分辨率，三維立體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)徑比達(dá)50以及10-20倍機(jī)械和電學(xué)性能無(wú)級(jí)調(diào)控。籍此方法制備具有優(yōu)異應(yīng)變抑制特性的剛度梯度可拉伸電子器件、高性能3D柔性傳感器與多功能3D磁性軟體機(jī)器人。該技術(shù)為熱固性三維結(jié)構(gòu)快速、穩(wěn)定、可編程制造提供一種全新、普適策略，有望推動(dòng)柔性電子、微流控和智能軟體機(jī)器人等應(yīng)用3D打印產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
圖1 激光原位誘導(dǎo)直寫(xiě)3D打印技術(shù)制備三維熱固性器件：(a)打印工藝示意圖；(b)激光誘導(dǎo)直寫(xiě)打印行為與光熱效應(yīng)演化
針對(duì)傳統(tǒng)熱固性材料3D打印過(guò)程中立體結(jié)構(gòu)成型難、工藝時(shí)間長(zhǎng)與功能調(diào)控受限等痛點(diǎn)問(wèn)題，引入激光原位照射飛行微射流產(chǎn)生局部光熱效應(yīng)，誘導(dǎo)熱固性墨水發(fā)生快速相變，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)原位與高效調(diào)控制造。以PDMS為例，激光照射下可迅速提升射流溫度至150 ~ 300℃，溫度變化引起聚合物快速交聯(lián)顯著提升射流粘度與成型剛度(圖2a-c)。相較于室溫固化(約48小時(shí))與外場(chǎng)輔助3D打印技術(shù)(>1秒)，固化時(shí)間有效縮短至數(shù)百毫秒內(nèi)。
打印過(guò)程中，結(jié)合工藝參數(shù)優(yōu)化與原位調(diào)控以實(shí)時(shí)改變聚合物交聯(lián)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)10倍機(jī)械性能調(diào)控與20倍電氣性能調(diào)控(圖2d-f)。同時(shí)，開(kāi)發(fā)用于預(yù)測(cè)激光原位打印結(jié)構(gòu)剛度的理論預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)精度優(yōu)異。基于該特性可制備具有空間剛度梯度結(jié)構(gòu)的柔性可拉伸基底。
圖2 激光原位誘導(dǎo)直寫(xiě)3D打印技術(shù)快速成型與實(shí)時(shí)調(diào)控：(a-b)激光誘導(dǎo)墨水快速相變；(c)打印工藝優(yōu)化調(diào)控；(d-e)機(jī)械性能調(diào)控；(f)電學(xué)性能調(diào)控
籍由激光快速成型機(jī)制，通過(guò)平衡激光能量與打印通量間參數(shù)關(guān)系，無(wú)需支撐材料即可構(gòu)建任意形狀三維立體結(jié)構(gòu)，涵蓋大傾角、水平懸垂、垂直立柱以及空間曲線等復(fù)雜結(jié)構(gòu)(圖3)。該技術(shù)對(duì)熱固性材料具有廣泛兼容性、可拓展性與多材料集成特性，在多種硅橡膠材料與環(huán)氧樹(shù)脂、聚四氟乙烯、聚氨酯和聚酰亞胺等材料上得以驗(yàn)證。
圖3 激光誘導(dǎo)復(fù)雜三維立體結(jié)構(gòu)免支撐成型與多材料打印：(a-b)PDMS；(c)PDMS/NdFeB；(d)Dragon Skin；(e)Ecoflex；(f)含白色、黃色與紅色顏料PDMS
以激光原位誘導(dǎo)直寫(xiě)打印技術(shù)高分辨率、快速固化與實(shí)時(shí)可控的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可原位構(gòu)筑三維柔性功能結(jié)構(gòu)，賦能柔性電子、傳感器與執(zhí)行器等領(lǐng)域。(1)空間可編程剛度梯度可拉伸電子器件有效優(yōu)化應(yīng)力分布，具有優(yōu)異應(yīng)變與彎曲干擾抑制特性，適用于智能可穿戴電子器件(圖4)；(2)三維柔性壓力傳感器具有高靈敏度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及循環(huán)穩(wěn)定特性，可用于人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(圖5)；(3)三維磁驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人可有效增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)功能、提升驅(qū)動(dòng)速度與穩(wěn)定性，具備體內(nèi)靶向給藥的應(yīng)用潛力(圖6)。
圖4 激光原位誘導(dǎo)打印剛度梯度可拉伸柔性電子器件：(a)均勻剛度與剛度梯度柔性基底拉伸對(duì)比；(b)剛度梯度基底應(yīng)變干擾抑制；(c-f)剛度梯度集成可穿戴電子皮膚應(yīng)用驗(yàn)證
圖5 激光原位誘導(dǎo)打印技術(shù)制備3D柔性傳感器件：(a-c)柔性傳感器打印工藝與集成結(jié)構(gòu)；(d-e)高性能柔性傳感器人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用演示
圖6 激光原位誘導(dǎo)技術(shù)制備三維磁軟體機(jī)器人：(a-c)三維磁軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)響應(yīng)：垂直圓柱陣列、三維仿生蝴蝶與三維螺旋彈簧；(d)三維螺旋彈簧機(jī)器人血管模型內(nèi)靶向給藥應(yīng)用演示
該論文以廈門(mén)大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院為第一單位，吳德志教授和加州大學(xué)伯克利分校林立偉教授為共同通訊作者。薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院博士研究生莊啟彬?yàn)檎撐牡谝蛔髡摺Ｑ芯抗ぷ鞯玫搅藦B門(mén)大學(xué)孫道恒的悉心指導(dǎo)，以及伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校余存江教授和西安交通大學(xué)趙立波教授等的指導(dǎo)與幫助。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(52075464)和廈門(mén)市科技計(jì)劃(3502Z20224030)資助與支持。
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