北京航空航天大學(xué)陳華偉課題組：亞體素控制的雙材料多結(jié)構(gòu)細(xì)絲的微流控打印

來源：PuSL摩方精密

具有多種材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜功能的細(xì)絲在可穿戴電子設(shè)備、柔性執(zhí)行器和傳感器中都有著非常重要的作用。直接墨水書寫技術(shù)（DIW）主要用于打印功能性細(xì)絲。然而，由于擠出通道本身結(jié)構(gòu)的不可移動，目前可打印的多材料纖維的復(fù)雜性和油墨成分是靜態(tài)不可調(diào)節(jié)的。這一局限性嚴(yán)重阻礙了直接墨水書寫3D打印技術(shù)的發(fā)展。因此，對打印的組分進(jìn)行動態(tài)可調(diào)的亞體素控制，以指導(dǎo)具有多種結(jié)構(gòu)的纖維的打印，為實現(xiàn)可用于打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)細(xì)絲的直接墨水書寫技術(shù)提供了一種新的策略。

近日，北京航空航天大學(xué)機械學(xué)院陳華偉課題組提出了一種動態(tài)可調(diào)節(jié)的DIW打印策略，該策略將一個可移動的打印針連接到一個Y形微流控噴嘴中，通過調(diào)節(jié)擠出壓力和針頭在微流控噴嘴中的運動，能夠精確控制細(xì)絲內(nèi)層的位置、比例和形狀，進(jìn)而再對細(xì)絲內(nèi)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的亞體素控制，可以制造具有各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細(xì)絲。

通過打印平臺，制造了內(nèi)部波浪型結(jié)構(gòu)的可拉伸電導(dǎo)穩(wěn)定和摩擦電納米發(fā)電機纖維，以實現(xiàn)能量收集和自供電傳感。這種亞體素控制的微流控打印顯著增加了雙材料細(xì)絲的復(fù)雜性，為柔性電子產(chǎn)品提供了潛在的應(yīng)用。相關(guān)研究內(nèi)容以“Subvoxel-controlled Microfluidic Printing of Dual-Material and Multi-Structural Filaments”為題發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》期刊上，陳華偉教授、張力文為通訊作者，碩士生白子涵為第一作者。

圖1. 可編程亞體素控制的雙材料多結(jié)構(gòu)細(xì)絲的微流控打印平臺。a） 打印平臺及雙材料多結(jié)構(gòu)打印機制示意圖。b） 將兩個打印針放置在 Y 形微流控裝置中，用于內(nèi)外材料打印。c） 一側(cè)、居中或逐漸改變。d）通過調(diào)整內(nèi)層材料打印針的位置，內(nèi)外層材料的分布可以被精確廣泛的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對細(xì)絲的亞體素控制。比例尺，500 μm。

該研究構(gòu)建了一種動態(tài)可調(diào)節(jié)的DIW打印平臺，如圖1所示。該平臺由一個三軸線性運動平臺與一個微流體打印頭構(gòu)成，為了實現(xiàn)亞體素控制的細(xì)絲，該打印頭是由一個Y形流道的微流控芯片、一個電機控制的微動臺、一個固定的打印針和一個可移動的打印針組成，兩個打印針從Y形流道的兩個臂中插入。該微流控芯片使用了摩方精密公司的nanoArch®S240高精度3D打印機制造，內(nèi)通道尺寸最小為800μm，通道尺寸決定了打印細(xì)絲的直徑及打印的精度，高精度的微流控芯片通道也保證了通道和打印針之間的良好配合。固定打印針為細(xì)絲提供外部材料，利用微動臺驅(qū)動可移動的打印針，并在細(xì)絲所需的位置擠出內(nèi)部功能材料。動態(tài)準(zhǔn)確地控制可動針的擠出壓力和運動下，實現(xiàn)了各種亞體素圖案的細(xì)絲，例如一側(cè)、居中或逐漸改變的波浪形圖案。

此外，內(nèi)外材料的組合可以用其他各種材料替代，從而證明了這種打印策略的普遍性。實驗表明，在打印過程中，通過調(diào)整外層材料的粘度以達(dá)到適印性要求，但是，對于內(nèi)部材料的粘度，不需要進(jìn)行此類調(diào)整。為了證明制造功能性長絲的能力，通過將打印材料替換為導(dǎo)電的功能性材料，設(shè)計并打印了具有波浪形內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多功能、可拉伸的導(dǎo)電穩(wěn)定纖維和摩擦電納米發(fā)電機纖維。與同軸結(jié)構(gòu)相比，導(dǎo)電穩(wěn)定性和摩擦發(fā)電性能均有所提高。因此，它可以作為智能織物來收集生物力學(xué)能量，滿足多樣化的需求。除了打印不同的功能材料外，還可用于制造精密微流控通道、氣動等微納機器人，也為未來宏觀尺度上的直接墨水書寫技術(shù)提供了一種打印方法。

圖2. 精確控制內(nèi)層的位置和形狀。a） 同軸結(jié)構(gòu)3D打印工藝示意圖。b） 在不同位置打印的可動針的示意圖和光學(xué)圖像。c） 不同Pmov/Pfix下Dp對De的影響。d） 不同尺寸可動針的 Pmov/Pfix 和 Sin/Sout 之間的依賴性。e） 內(nèi)部橫截面逐漸變?yōu)樾略滦蔚墓鈱W(xué)圖像。f） 新月形的寬度和長度對 Pmov 的依賴性。

圖3. 精確控制內(nèi)部波浪結(jié)構(gòu)。a） 內(nèi)部具有波浪形結(jié)構(gòu)的細(xì)絲的印刷示意圖。b） Dm 和 Win 之間的關(guān)系曲線。c） 波峰距離 Dc逐漸增加。d） 不同Pfix下移動周期與波峰距離的依賴性。e-f） 內(nèi)部具有波浪形結(jié)構(gòu)的細(xì)絲的照片。g） 含有更多材料的長絲照片。

圖4. 多功能可拉伸電導(dǎo)穩(wěn)定纖維的打印。a） 多功能可拉伸電導(dǎo)穩(wěn)定纖維的打印示意圖。b） 在同軸纖維和內(nèi)部波浪結(jié)構(gòu)纖維上拉伸。c） 不同移動周期下同軸纖維和波浪纖維的應(yīng)變電阻變化率。d） 同軸結(jié)構(gòu)纖維和波浪形內(nèi)結(jié)構(gòu)纖維的等效工作電路。e） 同軸結(jié)構(gòu)纖維和波浪形內(nèi)結(jié)構(gòu)纖維的拉伸電導(dǎo)率試驗的照片。

圖5. 可拉伸導(dǎo)電纖維可以作為理想的高度可拉伸的自供電傳感器。a）纖維拍打產(chǎn)生電壓信號，作為摩擦納米發(fā)電機纖維。b） 同軸纖維和波浪纖維的實時電壓信號。c） 纖維電壓信號與移動周期的關(guān)系曲線。d） 不同手指拍打波浪形結(jié)構(gòu)纖維的實時電壓信號。e）自充電系統(tǒng)的等效工作電路和自充電系統(tǒng)為LED供電的照片。f） 纖維傳感器在不同彎曲角度下粘附在人手指上的相應(yīng)電壓信號。g）通過抓取和釋放塑料離心管的信號監(jiān)測。

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https://doi.org/10.1002/admt.202301150