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2024年5月28日密苏里大学林见教授课题组，欧博官网在Nature Communications发表题为“Programmed multimaterial assembly by synergized 3D printing and freeform laser induction”的研究论文。果壳硬科技邀请了论文第一作者郑卜静达撰写解读文章。

自然界中的许多生物结构通过复杂的三维组装和功能材料的有机结合，能够执行各种复杂的功能。这一自然现象启发了科学家们在人工制造领域中探索如何将不同材料集成到单一的3D结构中，从而实现多功能设备的制造。然而，传统的制造工艺在面对多材料集成时存在很大挑战，例如：

1. 材料选择有限：现有的挤出式增材制造方法只能使用一些冷挤出材料，无法使用如PLA和PETG等常见热塑性耗材。此外，导电材料，如导电PLA，的电阻较高，无法满足电子器件对低电阻的要求。

2. 制造精度和复杂性：传统工艺如模具制造、焊接和机械加工在制造复杂几何结构和细微特征时存在局限性。特别是在制造微米级甚至纳米级结构时，欧博精度和细节控制变得尤其困难，导致成品质量不稳定。

3. 多步骤工艺流程：多材料制造通常需要多个独立的工艺步骤，包括材料预处理、涂覆、烧结和后处理等。这些步骤不仅增加了制造时间和成本，还增加了出错的概率，降低了生产效率。

4. 功能集成困难：在传统工艺中，将功能材料（如导电材料、半导体材料）精确地集成到结构材料中，实现特定的功能设计（如传感、发光等）通常需要复杂的组装和连接，这不仅增加了制造难度，还提高了失败的风险。

此前，为了深入挖掘激光直写在曲面器件制备上的潜力，欧博娱乐郑卜静达博士和林见教授合作开发了曲面激光直写技术。他们的研究成果发表在Adv. Funct. Mater.上 (doi.org/10.1002/adfm.202210084)，如图1所示。虽然这项工作通过用五自由度激光解决了三自由度激光直写工艺在曲面上制备器件的难题，但其只能在目标基底表面制作器件，无法将功能材料嵌入三维目标基底内，从而大大限制了该技术的潜力。因此，在本文中，我们通过结合DIW和FFF工艺，进一步挖掘了曲面激光直写的潜能。

图1 自由曲面激光工艺的五自由度激光平台

图2展示了以下内容：(a) 五轴3D打印激光复合系统，(b) FMAP所使用的FFF热端、DIW挤出头和激光模组，(c) 通过FMAP工艺制造包含LIG（由PC诱导生成）和银线圈的3D无线LED器件的工作流程，欧博allbet(d) 无线LED的实物、其三维结构展示及功能测试，(e) 用LIG（由木质素诱导生成）和银电极制成的3D无线LED，其结构材料为TPU。

相比于其他多材料制备工艺，FMAP工艺（图2(a)）的巧妙之处在于利用激光将本不导电的基底材料变成导电材料，省去了第二种材料的打印步骤。其结合了3D打印技术和曲面激光直写（FLI）技术。3D打印技术（熔丝制造（FFF））主要用于快速成型结构材料，而墨水直写（DIW）和FLI技术则利用激光的高分辨率在预设计的三维空间内精确制造功能材料（图2(b)）。通过同时使用这三种工艺，研究人员能够在定制的3D结构中集成各种功能材料，如激光诱导石墨烯、金属和半导体，从而实现无浪费的多功能器件制造。

通过FMAP工艺，功能材料可以被封装在打印的3D结构内部或制备在表面，形成一体化的功能性3D设备。例如，研究团队展示了利用这一技术制造的无线LED。这一制造过程包括使用FFF打印聚碳酸酯（PC）结构，接着通过激光选择性地将PC转化为激光诱导石墨烯（LIG）线圈，再通过DIW打印银前驱体，最终通过激光将银前驱体转化为高导电性的LIG/Ag线圈（图2(c)）。除了PC，研究团队还展示了使用无法被激光碳化的材料（如TPU）作为结构材料，制造出由LIG（通过DIW打印的木质素诱导生成）和银电极构成的3D无线LED（图2(e)）。

图3由FMAP工艺制造的(a)多层印刷电路板，(b)基于电容传感器的遥控器，(c)电容滑动条

FMAP技术的应用前景非常广泛。以下是几个具体的应用示例：

1. 电子设备（图3）：通过将功能材料集成到3D结构中，可以制造出具有特定电子功能的设备。例如，多层印刷电路板，电容传感器和无线微控制器结合的遥控器，和基于自电容传感器的人机交互设备。

图4 (a)紫外强度传感器，(b)内嵌LIG应变传感器的弹簧，(c)作为旋转编码器使用的电磁铁

2. 传感器（图4）：FMAP工艺可以轻松地将功能材料集成到3D打印结构的内部或表面，以制备多种传感器。例如，可以制造将银作为电极、氧化锌作为传感材料的紫外强度传感器，内嵌LIG的PC弹簧，以及将铁粉作为磁芯、三维银导线作为线圈的电磁铁。

图5 (a)通过内嵌焦耳加热器的微流体反应器合成ZIF粒子，(b)微流体反应器实物图，(c)反应器在不同流速下的红外照片，(d)有限元模拟结果，(e) 在加热和不加热情况下的反应结果。

3. 功能性微流体（图5）：在微流控反应器中集成焦耳加热器，可以实现对反应过程的精确控制，应用于化学合成和生物医学研究中。

FMAP工艺的提出和验证标志着多材料3D打印技术的一个重要里程碑。这项技术不仅简化了多功能3D设备的制造流程，还显著提高了材料利用效率，减少了生产过程中的废弃物。更重要的是，FMAP工艺突破了传统制造工艺的限制，使得在单一装置中实现功能材料和结构材料的编程装配成为可能。

通过FMAP工艺，研究人员能够在3D结构的内部或表面精确地构建功能材料，使得制造复杂的多功能设备成为现实。这一技术的成功展示预示着其在电子、传感器、人机界面、机器人和功能性微流体等领域的广泛应用前景。

密苏里大学和莱斯大学的研究团队通过开发和应用这一技术，开创了多材料3D打印和激光直写复合技术的新篇章，展示了其在未来制造业中的巨大潜力。

论文信息

发布期刊 Nature Communications

发布时间 2024年5月28日

文章标题 Programmed multimaterial assembly by synergized 3D printing and freeform laser induction

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

发布期刊 Advanced Functional Materials

发布时间 2022年10月26日

文章标题 Direct Freeform Laser Fabrication of 3D Conformable Electronics

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

郑卜静达 | 作者

酥鱼 | 编辑

高分子科技 | 来源

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