【前沿技术】3D打印在轻质柔性功能材料领域的革命性发展

3D打印技术正在革新轻质结构、软体机器人和柔性电子元器件的生产，但这项技术难以打印多种材料融合在一起的复杂结构。要打印一个柔性器件，3D打印机必须能够从一种柔性材料无缝过渡到另一种刚性材料，其中柔性材料用于可穿戴设备，刚性材料则提供电子元器件。此外，还需要能够用多种不同电导率和电阻率的油墨打印出嵌入式的电路，且能在这些不同的材料中做到准确切换。在要打印的物件中集成不同的材料和性能，将是3D打印技术的下一个技术前沿。

为了实现这一目标，哈佛大学的研究人员设计出新型多材料复合打印头，能够混合并打印高浓度高粘度的油墨，在打印过程中还能实现成分和几何结构的同步控制。这些新型打印头使用能够主动混合并快速切换材料的喷嘴，可以在快速打印中改变材料成分，为可穿戴设备、软体机器人以及电子元器件的整体打印铺平了道路。

打印包含多种材料的物件的基础是将多种复杂油墨混合。然而，当前大部分的混合方式是被动的，两股油墨液体汇合到一个通道进行扩散混合，这种方法对于低粘度油墨很有效，但对于诸如凝胶这样的高粘度液体是无效的，尤其是在油墨量小且打印时间短的情况下。

为了解决这一难题，哈佛大学研究人员设计出一款新型的使用主动混合装置的复合材料打印头。这种主动混合装置在喷嘴内安装了旋转叶轮，能够高效地混合多种复杂的油墨液体。

研究团队用这种主动混合打印头做了一些验证试验。实验表明这种打印头能够将有机硅弹性体无缝打印到由柔性材料和刚性材料组成的梯度结构中。这种结构在柔性电子元器件、可穿戴设备以及软体机器人领域有潜在的应用。此外还打印了一些会发生相互反应的材料，例如由两种成分组成的环氧树脂，两者混合后会迅速硬化。最后，研究人员实证实可将导电和高电阻的油墨按需混合，实现在打印出的物品中嵌入电路。

该研究团队近期还设计出另一款打印头，能够用一个喷嘴实现多种油墨的快速切换，消除由材料切换导致的结构缺陷。此前多种油墨切换需要使用多个喷嘴，而这种喷头只用一个喷嘴，同时能够实现按需启动和停止墨水喷出。

这些具备主动混合以及快速切换材料能力的打印头推动了3D打印多种材料的发展。人们可实现在微观尺度上控制材料的成分和结构，为通过设计创建新材料开辟了一条新道路。该研究受到了美国能源部前沿研究中心的资助。（蓝海星：郑裔振 慕南）