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  體素是像素的三維概念，3D體素打印是指通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)打印件在體素尺度，即物體有限體積單元的尺度上，對(duì)材料組分及性能的精準(zhǔn)可控。3D體素打印是繼多材料3D打印后的一個(gè)新的具有重大價(jià)值的方向。目前報(bào)道有關(guān)3D體素打印的研究較少，其中最具代表性的是哈佛大學(xué)Lewis教授在2019年Nature期刊上刊登的多材料多針頭擠出式打印技術(shù)（Multimaterial Multinozzle 3D Printing），實(shí)現(xiàn)不同材料及機(jī)械性能在單個(gè)制件中體素尺度上的精準(zhǔn)分布及調(diào)控。由于3D體素打印仍在初期發(fā)展階段，目前打印件體素調(diào)控的性能主要集中在色彩以及機(jī)械性能，對(duì)于功能性的調(diào)控，如導(dǎo)電等，仍沒(méi)有詳細(xì)報(bào)道。

  新加坡南洋理工大學(xué)周琨教授團(tuán)隊(duì)最近在《Advanced Materials》期刊上發(fā)表題為“ 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）技術(shù)提出了可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)打印件導(dǎo)電性能在體素尺度精準(zhǔn)可控的MJF 3D體素打印方法。該方法的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)提出的一種適用于熱噴墨技術(shù)的高導(dǎo)電多功能墨水（Multifunctional agent，MA），其主要成分包括碳納米管和導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS。此墨水的多功能性表現(xiàn)在：1）這種墨水具有MJF商業(yè)助熔劑（Fusing Agent，F(xiàn)A）的紅外吸熱功能，2）墨水中的碳納米管可起到力學(xué)增強(qiáng)的作用，3）PEDOT:PSS為制件提供優(yōu)異的導(dǎo)電性能。通過(guò)控制噴墨種類以及噴墨次數(shù)等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）制件電導(dǎo)率在體素尺度上（～100 μm）九個(gè)數(shù)量級(jí)（10^–10 至10^–1 S/cm）范圍調(diào)控。該方法所具有的優(yōu)點(diǎn)如體素分辨率高、電性能調(diào)控范圍廣、制件不同組分間結(jié)合力強(qiáng)、以及可打印無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜鏤空結(jié)構(gòu)件等，是目前其他3D打印技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的�；谝陨系膬�(yōu)點(diǎn)，本文作者設(shè)計(jì)了一系列一體化打印，即將導(dǎo)電的傳感層與絕緣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)框架直接一體打印的可穿戴應(yīng)變傳感器。

圖1. MJF 3D體素打印原理圖。

圖2. MA的打印性能。

  如圖3 所示，MA的噴墨分辨率約為100 μm，打印制件最小尺寸約為360 μm。由于CNT的力學(xué)增強(qiáng)作用，MA/TPU制件的力學(xué)性能在x，y，和z方向上均高于FA/TPU制件。對(duì)于MA-FA/TPU組合制件（由兩種墨水組合打印的制件），F(xiàn)A與MA組分間的界面結(jié)合力較強(qiáng)，接近MA/TPU制件的力學(xué)性能。通過(guò)控制噴墨種類、次數(shù)、含量、以及位置，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)制件電導(dǎo)率的精準(zhǔn)定點(diǎn)調(diào)控（圖4）。 

圖3. 打印制件的物理和機(jī)械性能。 

圖4. 打印制件的導(dǎo)電性能。

圖5. 一體化打印應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)與表征。

  這種具有高設(shè)計(jì)靈活度的MJF 3D體素打印方法對(duì)下一代可穿戴應(yīng)變傳感器的制造具有重要的應(yīng)用價(jià)值，并可推廣至其他功能性，如熱、光、磁等，為多功能一體成型技術(shù)提供新的方向。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202205909