Nature Communications|一种3D打印和激光诱导协同策略用于定制功能化器件（3D打印/激光直写/柔性电子/人机交互/柔性电路）

美国密苏里大学机械与航天工程系Jian Lin团队，在《Nature Communications》上发布了一篇题为“Programmed multimaterial assembly by synergized 3D printing and freeform laser induction”的论文。论文内容如下：

一、 摘要

        在自然界中，结构和功能材料经常形成程序化的三维(3D)组装来执行日常功能，这激发了研究人员设计多功能3D结构的灵感，尽管目前取得了很多进展，但将各种材料制造和组装成为功能性三维物体的通用方法仍然有限。为了弥合这一差距，作者提出了一种自由形式多材料组装工艺（FMAP），通过将3D打印（熔丝成型（FFF）、直接墨水写入（DIW））与自由形式激光诱导（FLI）相结合。3D打印执行3D结构材料组装，而FLI通过协同、编程控制在预设计的3D空间内制造功能性材料。本文展示了FMAP在空间制造各种类型的功能材料(金属、半导体)方面的多功能性，这些材料应用于LED显示屏的交叉开关电路，用于多功能弹簧和触觉机械手的应变传感器、紫外线传感器，用作磁编码器的3D电磁铁，用于人机接口的电容传感器以及用于纳米材料合成的内置焦耳加热器的集成微流控反应器。这一成功突显了FMAP重新定义3D打印和FLI用于编程多材料组装的潜力。

二、背景介绍

        将多材料组装成结构和功能部件在自然界中无处不在，这促使研究人员探索新的设计原则和制造方法，以创造具有多功能性的工程三维（3D）结构。传统上，混合制造技术可以用来实现这一目标，但它们需要多个连续的过程。例如，生产多层3D打印电路板（PCB）需要蚀刻、层压、热压、钻孔等步骤。这些过程需要高额的资本投资，同时产生不必要的废物，因此对可持续性构成重大挑战。为了提高材料利用效率并克服组装多种材料的挑战，近年来出现了一些新技术，如力学驱动的组装、转移印刷和多材料3D打印。

        然而，在多材料制造领域，这些技术仍然面临着缺乏通用性的挑战，无法在3D结构中精确地放置功能材料，以及获得更广泛的材料选择。例如，嵌入式3D打印需要为结构材料准备模具，这种必要性对于实现复杂几何形状，如中空和自立特征，施加了限制。在核壳式3D打印中，虽然可以打印具有由功能材料制成的内部结构的物体，但功能材料和结构材料是同时且连续地挤压的，因此无法将功能材料沉积在预先设计的位置，例如外表面。除了印刷结构复杂性的限制，它们通常还受到材料选择的限制。例如，多喷嘴DIW挤出复合油墨，其中既包含电导材料又包含聚合物，使得最终材料具有低电导性和低机械强度，DLP则受限于光敏树脂。此外，多材料打印的过程需要在不同的槽之间切换ÿ