大自然“生产”的木头、骨头、牙齿和贝壳等精致复合材料，是轻质和密度与所需的机械性能完美结合。然而，再现自然界中发现的特殊机械性能和复杂微结构，则颇具挑战。而哈佛大学团队研发的“旋转3D打印”技术，对聚合物基质中嵌入的短纤维排列具有超强控制能力。研究人员使用这种增材制造技术在特定位置对环氧树脂复合材料内的纤维排列进行编程，创建出对强度、刚度和损伤容限进行优化的结构材料。

该研究的资深作者Jennifer A Lewis，以及哈佛海洋生物启发工程学院Hansjorg Wyss教授说：“能够在工程复合材料中局部控制纤维取向是一个巨大的挑战。现在我们可以用分层的方式对材料进行图案化，就像自然构建的方式一样。”

这一方法的关键在于精确编排3D打印机喷嘴的速度和旋转，以便对聚合物基体中的嵌入式纤维的排列进行编程。这一技术通过为旋转打印头系统配备步进电机来实现，其可引导旋转喷嘴在墨水被挤出时的角速度。由于其墨水设计具模块化特性，可实现使用多种不同填料和基体的组合来定制打印对象的电学、光学或热性能，因而应用范围较广。据项目负责人介绍，实现在工程复合材料中对纤维排列进行局部控制，是一个巨大挑战。该团队目前能够用分层的方式来构造材料，接近自然构造方式。

旋转3D打印可以用于在3D打印部件的每个位置实现最佳或接近最佳的光纤布置，从而以更少的材料获得更高的强度和刚度。 与之前市场上出现的使用磁场或电场来定向纤维不同，哈佛大学的这个发明是通过控制粘性油墨本身的流动来赋予所需的纤维取向。

图片：哈佛大学Jennifer A Lewis教授

据称，“旋转3D打印”的喷嘴概念可用于任何材料挤压3D打印方法，从熔融丝制造，直接墨水书写，到大规模热塑性增材制造等不同的3D打印技术。并且适合任何填充材料，从碳、玻璃纤维到金属或陶瓷晶须甚至是血小板。

这种技术适合于工程材料的3D打印，可以通过空间编程以达到特定的机械性能指标;可以对纤维的定向进行局部优化，以提高在加载过程中预期承受最高应力的位置处的损伤容限。

这提供了一个新的途径来生产复杂的微观结构，并可控制地改变不同位置的微观结构。 对结构的更多控制意味着对结果属性的更多控制，这大大扩展了设计空间，可以进一步优化可编程材料的属性。

这项研究发表在“美国国家科学院院刊”上，这项工作是在哈佛的刘易斯实验室进行的。合作者包括前博士后研究员Brett Compton，现任诺克斯维尔田纳西大学机械工程系助理教授，宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学助理教授Jordan Raney;以及苏黎世联邦理工学院访问博士生Jochen Mueller。

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像Apple Watch这样的大品牌可穿戴电子产品并不是像每天一杯茶这样的简单事，毫无疑问，柔性电子产品在未来的技术创新中将发挥重要作用，特别是在运动和人类表现分析等领域。而哈佛大学的“混合3D打印”技术有什么主要特点呢？本期，3D科学谷与谷友来深入了解这项技术的特别之处。

3D科学谷概括下来这项技术主要有两大特点，一是体现在“混合”二字，也就是在打印的过程中，不仅仅将液态的导电油墨和其他材料打印成电路的形状，还将电子元器件直接“插入”到电路上；二是体现在柔性方面，通过打印到可拉伸的基体表面上，这种产品就有了完成各种变形的柔性特点。

哈佛大学威斯研究所和美国空军研究实验室之间的新合作可能将可穿戴电子产品提升到一个新的水平，这里面蕴含着巨大的市场潜力。据研究人员介绍，混合3D打印将柔性导电油墨和基体材料与刚性电子元件集成打印到一个可拉伸基底上，电子传感器可以被直接3D打印到软质材料上，同时该工艺还可以数字地拾取和放置电子元件，并打印那些读取传感器数据所需的导电互连电路。

重要的是，该技术可以显着减少柔性电子产品的制造时间和成本，并可以用于制造更强大的电子产品。

在3D打印过程中，3D打印机所用的一种材料是热塑性聚氨酯（TPU），这种材料可以用于3D打印基体或者绝缘部分，重要的是这种材料本身就具备可拉伸的特点。另一种材料是导电油墨，这种油墨可以自由地将电路“勾画”出来。

这种混合打印的技术难点除了硬件，重要的是打印材料中的可编程的微控制器芯片和读取装置，这使得打印出来的电子产品拥有了强大的功能。

另外的难点就是材料技术了，通常电子元器件是刚性的，如何在材料被拉伸的时候仍然保证电子元器件不会脱离基底？这其中的奥秘主要来自于TPU材料的分配，这些材料的应用意味着柔性电子产品可以拉伸30％，同时仍然保持电子产品的功能不受影响。

哈佛大学研发出独特的控制系统，控制系统可以发出命令，让打印机知道什么时候通过喷嘴打印不同的材料，什么时候拾取电子元器件嵌入到电路中。

当然，令人印象深刻的可能还是视频中的演示产品。一个装置是应变传感器，通过将银-TPU-墨水电极3D打印到纺织品基底上并且使用拾放技术来插入微控制器芯片和读取LED。结果是可佩戴的袖子装置可以精确测量穿戴者的手臂弯曲的程度，通过LED显示屏显示结果。在生活中，这样的可穿戴装置可以用于分析运动员的投掷技术。

另一个装置是人的左脚形状压力传感器，这是通过3D交替打印导电银-TPU电极层和绝缘TPU材料实现的，在柔性TPU衬底上形成了电容器的制作。当用户踏上传感器时，压力就以可视化的图案呈现出来。

哈佛大学的此项研究包括研究人员 – Alexander D. Valentine，Travis A. Busbee，John William Boley，Jordan R. Raney，Alex Chortos，Arda Kotikian，John Daniel Berrigan，Michael F. Durstock和Jennifer A. Lewis。他们已经在杂志上发表了他们的发现Advanced Materials杂志上发表了一篇“柔性电子的混合3D打印”论文。

而这个项目背后强有力的支持是Jennifer A. Lewis教授，和她开发Voxel8的成功经验。

更多电子产品的3D打印信息，请参考3D科学谷发布的《3D打印与电子产品白皮书》

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