【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，廈門大學(xué)薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院吳德志教授團隊在3D打印取得突破性進展。團隊首次提出并驗證“激光原位誘導(dǎo)直寫打印”技術(shù)：通過激光原位誘導(dǎo)與3D打印射流相耦合，顛覆傳統(tǒng)熱固性材料成型方式，實現(xiàn)三維柔性結(jié)構(gòu)原位、快速成型與性能實時調(diào)控。該技術(shù)大幅縮短固化時間，三維結(jié)構(gòu)成型無需額外犧牲材料與繁瑣后處理步驟，可在空間維度實時編程調(diào)控打印結(jié)構(gòu)機械與電學(xué)性能。將為柔性電子、軟體機器人、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)表在國際頂級期刊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間長、需要支撐結(jié)構(gòu)、處理步驟多和性能無法在線調(diào)控等缺陷。當(dāng)前，通過熱、聲和紫外光場等輔助直寫打印技術(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，研究團隊提出激光原位誘導(dǎo)直寫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個數(shù)量級)、無需支撐材料即可構(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空調(diào)控能力。該打印技術(shù)可實現(xiàn)50μm結(jié)構(gòu)分辨率，三維立體結(jié)構(gòu)長徑比達50以及10-20倍機械和電學(xué)性能無級調(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，有望推動柔性電子、微流控和智能軟體機器人等應(yīng)用3D打印產(chǎn)業(yè)化進程。
 

　　圖1 激光原位誘導(dǎo)直寫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)直寫打印行為與光熱效應(yīng)演化

 

　　針對傳統(tǒng)熱固性材料3D打印過程中立體結(jié)構(gòu)成型難、工藝時間長與功能調(diào)控受限等痛點問題，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)與外場輔助3D打印技術(shù)(>1秒)，固化時間有效縮短至數(shù)百毫秒內(nèi)。
 

　　打印過程中，結(jié)合工藝參數(shù)優(yōu)化與原位調(diào)控以實時改變聚合物交聯(lián)進程，實現(xiàn)10倍機械性能調(diào)控與20倍電氣性能調(diào)控(圖2d-f)。同時，開發(fā)用于預(yù)測激光原位打印結(jié)構(gòu)剛度的理論預(yù)測模型，預(yù)測精度優(yōu)異?；谠撎匦钥芍苽渚哂锌臻g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3D打印技術(shù)快速成型與實時調(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)機械性能調(diào)控；(f)電學(xué)性能調(diào)控

 

　　籍由激光快速成型機制，通過平衡激光能量與打印通量間參數(shù)關(guān)系，無需支撐材料即可構(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)氧樹脂、聚四氟乙烯、聚氨酯和聚酰亞胺等材料上得以驗證。
 

　　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?。?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)直寫打印技術(shù)高分辨率、快速固化與實時可控的獨特優(yōu)勢，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、動態(tài)響應(yīng)以及循環(huán)穩(wěn)定特性，可用于人體運動狀態(tài)實時監(jiān)測(圖5)；(3)三維磁驅(qū)動軟體機器人可有效增強驅(qū)動功能、提升驅(qū)動速度與穩(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動狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用演示
 

圖6 激光原位誘導(dǎo)技術(shù)制備三維磁軟體機器人：(a-c)三維磁軟體機器人結(jié)構(gòu)與驅(qū)動響應(yīng)：垂直圓柱陣列、三維仿生蝴蝶與三維螺旋彈簧；(d)三維螺旋彈簧機器人血管模型內(nèi)靶向給藥應(yīng)用演示
 

　　該論文以廈門大學(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為論文第一作者。研究工作得到了廈門大學(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家自然科學(xué)基金(52075464)和廈門市科技計劃(3502Z20224030)資助與支持。