新加坡南洋理工大学周琨教授团队《AM》：多射流熔融3D体素打印导电弹性体

来源：高分子材料前沿

引言：体素是像素的三维概念，3D体素打印是指通过3D打印技术实现打印件在体素尺度，即物体有限体积单元的尺度上，对材料组分及性能的精准可控。3D体素打印是继多材料3D打印后的一个新的具有重大价值的方向。目前报道有关3D体素打印的研究较少，其中最具代表性的是哈佛大学Lewis教授在2019年Nature期刊上刊登的多材料多针头挤出式打印技术（Multimaterial Multinozzle 3D Printing），实现不同材料及机械性能在单个制件中体素尺度上的精准分布及调控。由于3D体素打印仍在初期发展阶段，目前打印件体素调控的性能主要集中在色彩以及机械性能，对于功能性的调控，如导电等，仍没有详细报道。

新加坡南洋理工大学周琨教授团队最近在《Advanced Materials》期刊上发表题为“ Multi Jet Fusion 3D voxel printing of conductive elastomers”的文章（DOI: 10.1002/adma.202205909）。本文作者基于惠普多射流熔融（Multi Jet Fusion, MJF）技术提出了可以实现单个打印件导电性能在体素尺度精准可控的MJF 3D体素打印方法。该方法的实现主要是通过提出的一种适用于热喷墨技术的高导电多功能墨水（Multifunctional agent，MA），其主要成分包括碳纳米管和导电聚合物PEDOT:PSS。此墨水的多功能性表现在：1）这种墨水具有MJF商业助熔剂（Fusing Agent，FA）的红外吸热功能，2）墨水中的碳纳米管可起到力学增强的作用，3）PEDOT:PSS为制件提供优异的导电性能。通过控制喷墨种类以及喷墨次数等参数，可实现热塑性聚氨酯弹性体（TPU）制件电导率在体素尺度上（～100 μm）九个数量级（10–10 至10–1 S/cm）范围调控。该方法所具有的优点如体素分辨率高、电性能调控范围广、制件不同组分间结合力强、以及可打印无需支撑结构的复杂镂空结构件等，是目前其他3D打印技术难以实现的。基于以上的优点，本文作者设计了一系列一体化打印，即将导电的传感层与绝缘的复杂结构框架直接一体打印的可穿戴应变传感器。

如图1所示，滚筒将定量的粉末从供粉床铺展至打印床，热喷墨喷头从另一垂直方向经过打印床上方，并在指定区域喷射MA或FA。经黑色墨水浸润后的粉末颗粒在红外光加热下迅速吸热升温，达到粉末材料熔点。通过对热喷墨种类及次数的控制，可以实现单个制件中导电性能的精准调控。经过层层打印后，粉床整体冷却，打印件冷却结晶成型。

图1. MJF 3D体素打印原理图。

MA必须满足两个条件才能替代商业墨水FA，即良好的喷墨性能和吸热性能（图2）。当MA中的CNT和PEDOT:PSS含量过高时，墨水粘性大，且颗粒有可能发生团聚，会造成喷头堵塞；当CNT和PEDOT:PSS含量过低时，墨水颜色偏浅，会导致红外吸热能量不足，从而影响粉末材料的融合。只有在合适的MA配方范围内以及一定的工艺条件下，才能获得良好的喷墨和吸热性能、以及制件的导电性能。

图2. MA的打印性能。

如图3 所示，MA的喷墨分辨率约为100 μm，打印制件最小尺寸约为360 μm。由于CNT的力学增强作用，MA/TPU制件的力学性能在x，y，和z方向上均高于FA/TPU制件。对于MA-FA/TPU组合制件（由两种墨水组合打印的制件），FA与MA组分间的界面结合力较强，接近MA/TPU制件的力学性能。通过控制喷墨种类、次数、含量、以及位置，可以实现单个制件电导率的精准定点调控（图4）。

图3. 打印制件的物理和机械性能。

图4. 打印制件的导电性能。

基于上述打印制件的优点，本文作者设计了一体化打印的可穿戴应变传感器和各向异性传感器，用于监测人体关节运动以及多自由度运动。一般的可穿戴传感器需要通过胶带粘接等方式固定在人体关节处，而MJF 3D体素方法则可以根据不同的传感需求，灵活设计可重复稳定使用的传感层及其固定结构。该方法在一体打印含有内嵌式传感器的可穿戴设备、护具及智能轮胎等应用方向上有着巨大的潜能。

图5. 一体化打印应变传感器的设计与表征。

展望：这种具有高设计灵活度的MJF 3D体素打印方法对下一代可穿戴应变传感器的制造具有重要的应用价值，并可推广至其他功能性，如热、光、磁等，为多功能一体成型技术提供新的方向。

团队介绍：该论文第一作者为新加坡南洋理工大学博士后研究员陈嘉瑶博士；第二作者为美国惠普公司杰出技术专家赵利华博士，现担任惠普三维数字制造实验室总监；通讯作者为新加坡南洋理工大学的周琨教授。周琨教授课题组依托惠普–南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，主要研究粉末床熔融、定向能量沉积、材料挤出成型等先进增材制造技术，包括功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。