PNAS：哈佛大學研發出利用激光輔助直寫成型的3D打印技術

3D打印技術無疑是當今科學研究領域內的一大研究熱點。在金屬材料領域，一方面，人們在追求能夠打印出大尺寸且性能優良的大型構件，比如北航的王華明院士課題組就在這方面做出了卓有成效的工作，而另一方面，如果能夠在微觀尺度上打印出性能優良的小尺寸平面及三維構件，將會在柔性電子器件、顯示器、傳感器等領域獲得重大應用。

本文獻介紹了一種3D打印方法，它將直寫成型技術與聚焦激光退火技術相結合。該技術相比于其他的3D打印技術具有三大優勢：可以在半空中精確制造出符合力學性能要求的復雜形狀構件；同時可以應用在低成本的塑料表面上；打印出的材料具有接近于塊體銀的高電導率。理論方面，為了優化工藝參數，研究人員在考慮打印速度、激光強度和脈沖持續時間等影響因素的基礎上，建立了一個針對傳熱問題的模型。

文獻圖注

圖1 激光直寫成型技術

A: 激光直寫成型的打印頭，它包括激光顯微鏡、銀墨器以及噴嘴；
B: 激光在噴嘴下游立刻聚焦的側視圖和俯視圖；
C: 下游激光退火后銀以及上游已經打印出銀的納米顯微結構，標尺100nm；
D: 一個金屬半球形螺旋任意形態3D打印的側視圖；
E: 在噴嘴上方安裝的物鏡；
F: 打印曲線結構中涉及到的關鍵參數；
G: 打印曲線形狀的例子，兩個圖分別表示激光聚焦點和噴嘴處于合適的位置以及兩者距離太遠的情況；
H: 不同打印速度下的銀墨溫度分布情況；
I: 不同電脈沖頻率下的銀墨溫度分布情況。

圖2 激光退火后銀線的電導特性及納米結構

A: 銀的電阻率隨著激光強度的增加而降低，紅線表示塊體金屬銀的電阻率；
B/C: 連續波激光/脈沖波激光退火后銀線的微觀結構，數字表示輻照強度的峰值；
D: 變化的激光強度會造成當電流通過銀線的時候，電阻元件會產生紅外輻射；
E: 不同激光強度下形成的電阻器的電壓電流特性；
F: 在PET薄膜上激光退火不同直徑銀線的SEM照片，上圖是打印銀線熱影響區延伸的俯視偽彩色圖（標距5um），中圖是斜視圖，下圖是打印銀線和PET基底界面處的放大圖；
G: 熱影響區寬度（黑色線）以及熱影響區寬度與銀線寬度的比值（紅色線）隨著銀線直徑的變化情況；
H: 將具有亞微米寬度的銀線打印在一個透明的PET薄膜上；
I: 直徑分別為3um和10um的銀線打印在一個厚度為20um的PET薄膜上，接著進行循環電阻測試，曲率半徑在2mm和7mm之間變化，圖中給出的是歸一化后的電阻隨著循環周次的變化情況。

圖3 打印任意形態的3D金屬結構

A: 打印出的獨立銀螺旋線圈，線圈直徑500um，虛線表示基底的面；
B: 打印出螺旋結構的受力測試，拉伸下達到150%的應變，隨后在接觸點破壞，然后恢復到50%的應變，接著進行壓縮產生-50%的應變，釋放掉載荷后，最終不可恢復的應變為-20%；
C: 一個800um高螺旋結構的載荷位移曲線，表現出線彈性行為，應變可達50%；
D: 打印半球形螺旋結構；
E: 打印蝴蝶狀結構（標尺1mm）；
F: 在PET薄膜上打印的半球形螺旋結構；
G: 在PET薄膜上打印螺旋線圈，隨后在曲率半徑2mm至9mm的范圍內進行循環測試10000周次。

文獻鏈接：Laser-assisted direct ink writing of planar and 3D metal architectures

感謝材料人編輯部糯米提供素材