利用毛细作用辅助的快速多材料3D打印技术，用于制造异质结构物体

《Materials Characterization》：Capillarity-assisted rapid muti-material 3D printing of heterogeneous objects

刺激响应多材料结构设计与制造中毛细作用辅助3D打印方法（CMM-3DP）的创新与应用，该技术通过BCC蜂窝结构毛细驱动实现单次打印多材料集成，速度较传统DLP提升百倍以上，兼容水凝胶、液态金属等多种材料，成功制备了可编程的仿生手、智能应变传感器及电电路结构等复杂多材料对象。

　　### 多材料3D打印技术的创新突破

在现代制造业中，多材料物体因其能够结合多种材料的特性和功能而展现出巨大的应用潜力。通过有策略地整合不同材料，这些物体可以实现更复杂的功能和更高的性能表现。然而，传统的3D打印技术，尤其是数字光处理（DLP）技术，通常仅适用于单一材料的打印。尽管DLP技术以其高分辨率和快速打印速度著称，但在制造多材料物体时却面临显著的挑战。传统的逐层打印方法需要频繁更换材料，这不仅增加了打印时间，还可能导致复杂的运动系统和树脂污染等问题。

为了解决这些问题，我们提出了一种名为“毛细作用辅助多材料3D打印”（CMM-3DP）的新方法。该方法通过利用毛细压力，将不同液体材料逐块运输到3D打印的模块中，从而实现了多材料物体的快速制造。相比传统DLP多材料打印技术，CMM-3DP的打印速度提升了数十甚至上百倍，同时避免了复杂的运动系统和树脂污染问题。这种创新方法不仅提升了打印效率，还扩大了材料的兼容性，使得包括光敏材料、热固化树脂以及液态金属等在传统DLP技术中难以处理的材料也能被有效利用。

### 毛细作用与BCC结构的结合

在CMM-3DP方法中，毛细作用在多孔模块中的表现是关键。通过设计具有特定多孔结构的单元（如体心立方结构BCC），我们可以更有效地引导液体材料填充到所需的位置。BCC结构因其良好的毛细驱动性能、结构稳定性和可打印性而被选用。在BCC结构中，液体的填充高度可以通过毛细作用和重力的平衡关系进行估算。在传统管状毛细结构中，填充高度由表面张力、接触角和重力共同决定，而在BCC结构中，由于其多孔性，液体填充高度与接触周长和孔隙率密切相关。

我们通过实验发现，BCC结构中，随着孔隙率的增加，毛细作用的填充高度也会发生变化。具体而言，当孔隙率较高时，液体填充高度会降低，而当孔隙率较低时，填充高度则显著增加。这一现象表明，BCC结构的孔隙率是影响毛细作用的重要因素。因此，为了实现最佳的毛细作用填充效果，我们建议使用低模量材料作为基础结构，从而减少多孔结构对最终机械性能的影响。

此外，BCC结构的多孔特性还能够增强不同材料之间的界面结合强度。通过减少基础结构的孔隙率，可以显著提高界面的结合力。例如，当孔隙率为80%时，界面结合力达到了0.58 N/m，而当孔隙率为50%时，结合力则为0.52 N/m，均比传统多材料3D打印方法高出数倍。这种增强的界面结合力不仅提高了结构的可靠性，还为复杂多材料结构的制造提供了更稳固的基础。

### 多材料结构的可变性和功能性

CMM-3DP方法的一个重要优势在于其对多材料结构的可变性和功能性的支持。通过选择性地填充多孔模块，可以轻松地将单一材料设计转化为多种材料的组合，从而实现更丰富的功能特性。例如，在CMM-3DP制造的多材料结构中，可以设计出具有不同机械性能的区域，如高模量区域和低模量区域，从而实现结构的各向异性。这种各向异性的设计使得结构在不同方向上具有不同的机械性能，适用于需要特定机械特性的应用场景。

在功能方面，CMM-3DP方法能够制造出具有刺激响应特性的多材料结构。通过在特定区域填充具有刺激响应特性的材料，结构可以在外部刺激下发生形变，从而实现特定的功能。例如，我们设计了一种多材料结构，其中一部分材料在吸水后会发生膨胀，导致整个结构发生弯曲。这种特性使得CMM-3DP在制造智能材料和可变形结构方面具有独特的优势。

此外，CMM-3DP方法还能够制造具有导电特性的多材料结构。通过在多孔模块中填充液态金属，可以实现导电路径的构建，从而制造出具有电子功能的结构。例如，我们设计了一种LED显示单元，通过在特定的BCC列中填充液态金属，实现了字母S、C和U的显示功能。这种方法不仅简化了电路设计，还提高了制造效率。

### 实际应用案例

CMM-3DP方法在实际应用中展现出了广泛的可能性。其中，最具代表性的应用之一是仿生机械手的制造。通过在机械手的不同部位填充不同材料，如硬质树脂、软质水凝胶和导电材料，我们成功制造了一种能够实时监测抓取力的仿生机械手。这种机械手在吸气驱动下能够弯曲手指，抓取物体，并通过导电水凝胶的电阻变化来检测抓取力。这一应用不仅展示了CMM-3DP在制造复杂仿生结构方面的潜力，还为智能机器人和医疗设备的发展提供了新的思路。

另一个实际应用是柔性执行器的制造。通过在柔性基底中填充具有不同机械性能的材料，我们可以制造出能够根据气压变化而弯曲的执行器。这种执行器在气压驱动下能够实现精确的弯曲控制，适用于需要柔性和可变形特性的应用，如软体机器人和可穿戴设备。

此外，CMM-3DP方法还能够制造具有复杂电路功能的多材料结构。通过在特定的多孔模块中填充液态金属，可以实现电路的构建，从而制造出具有电子功能的结构。例如，我们设计了一种LED显示单元，通过在不同的BCC列中填充液态金属，实现了字母S、C和U的显示功能。这种方法不仅提高了电路设计的灵活性，还降低了制造成本。

### 方法的可行性与优势

CMM-3DP方法的可行性主要体现在其对多材料结构的快速制造和对复杂设计的适应性。通过使用BCC结构作为多孔模块的基础，CMM-3DP能够实现多材料的快速填充和固化，从而大幅提高打印效率。同时，该方法还能够适应不同材料的填充需求，包括光敏材料、热固化树脂和液态金属等，使得多材料打印的范围更加广泛。

在实验中，我们验证了CMM-3DP方法在制造不同类型的多材料结构方面的有效性。例如，我们成功制造了具有刺激响应特性的多材料结构、柔性执行器和导电结构。这些结构在不同的应用场景中表现出优异的性能，如可变形、可控制和可监测等。

CMM-3DP方法的优势还体现在其对复杂结构的适应性上。通过调整BCC结构的孔隙率和填充材料的选择，可以实现不同机械性能和功能特性的结构。例如，我们通过调整孔隙率和填充材料，制造出了具有不同机械性能的结构，如高模量结构和低模量结构，从而满足不同应用的需求。

### 未来展望

尽管CMM-3DP方法已经取得了显著的进展，但在实现超高分辨率多材料结构方面仍存在一定的挑战。未来的研究可以进一步优化BCC结构的设计，以提高毛细作用的效率和精度。此外，随着材料科学的发展，更多的新型材料可能会被引入到CMM-3DP方法中，从而拓展其应用范围。

CMM-3DP方法不仅为多材料3D打印提供了一种新的解决方案，还为未来智能材料和多功能结构的制造打开了新的大门。通过结合毛细作用和3D打印技术，CMM-3DP能够实现复杂多材料结构的快速制造，为制造业带来了新的可能性。