原标题:山东青年研发快速墨水直写3D打印技术，创下硅胶材料直写3D打印最高分辨率纪录。

山东青年研发出快速墨水直写3D打印技术，打印丝最小直径仅为50um，创下了软硅胶材料直写3D打印的最高分辨率纪录。

“2021年，我参观了导师的农场。他指着一个太阳能光伏电站自豪地说，这是自己公司生产的。农场电池电极的印刷制备采用了本课题组在导电银浆方面的研究成果。事实上，早在我选择研究方向的时候，导师就告诫过我，在研究高分子材料加工时，不要急于求成，要以最终应用为导向。”北京理工大学博士毕业生王一亮说。

图|王一亮(来源:王一亮)

据介绍，他来自山东省临沂市，目前在德国卡尔斯鲁厄理工学院从事软材料3D打印的研究。

最近，王一亮开发了一种含有石蜡的软硅树脂墨水。通过控制石蜡的固液相变，可以快速控制油墨的流变性能。

图|高分辨率软硅胶结构的快速墨水直写3D打印(来源:高级材料)

此外，他还改进了传统的墨水直写3D打印系统，在挤压针上增加了微型温控单元。通过控制挤压压力、印刷速度和针温，可以实现油墨挤压的微量控制和精确印刷。

在一定条件下，该系统可实现高达3100mm·min-1的高速打印，打印导线最小直径仅为50um，是目前软硅胶材料直写3D打印分辨率的最高纪录。

2月17日，这篇论文发表在Advanced Materials上，题目是“软硅胶的可相变、快速、高分辨率直接墨水书写”。

图|相关论文(来源:高级材料)

软硅胶是一种高分子材料，具有优异的柔韧性、回弹性、绝缘性、生物相容性、化学稳定性和热稳定性。广泛用于制造各种高端密封件、软模具、电子灌封料、医疗器械等，在软机器人、柔性电子中的器件、植入式器件等领域具有巨大的应用潜力。

目前，问题之一是未交联的软硅胶是一种粘弹性液体。一般采用模铸法进行三维成型加工。但这种方法得到的产品的空分辨率和三维结构复杂度较低，限制了其在微型高端柔性器件中的应用。

借助3D打印技术，可以实现复杂三维结构微小物体的快速制造。对于软硅胶材料的3D打印，如何实现粘弹性液态软硅胶的固化是关键。

目前软硅胶的3D打印主要有两种方式:光交联打印和挤压打印。前者采用光引发交联的方法实现液态硅胶的快速固化成型，但这种方法成本高，涉及的光敏基团具有潜在的生物危害性，难以实现多种材料的同时快速制造。

后者设备简单，成本低，使用的软硅胶基油墨可以含有各种功能材料。然而，由于前驱体的粘弹性和低模量，高分辨率软硅胶结构的挤出3D打印仍然面临着巨大的挑战。因此，探索软硅胶材料的新型墨水直写3D打印技术具有重要意义。

可用于柔性器件的个性化快速制造。

王一亮团队隶属于德国卡尔斯鲁厄理工学院诺伯特·威伦巴赫教授领导的机械过程工程与力学研究所。在复杂流体流变学领域有很深的基础，长期从事导电银浆和固-液-液三元毛细管浆的研究。

王一亮团队隶属于德国卡尔斯鲁厄理工学院诺伯特·威伦巴赫教授领导的机械过程工程与力学研究所。在复杂流体流变学领域有很深的基础，长期从事导电银浆和固-液-液三元毛细管浆的研究。

基于团队的经验，王一亮发现，包含多种材料的高空分辨率的软件微结构对于各种柔性器件和软机器人都非常重要。因此，他决定从根本上研究软件结构的高精度3D打印。

研究之初，他考察了多种软高分子材料，最终选定了无需高温熔融和溶剂处理即可加工成型的软硅胶。但在交联之前，软硅胶是液体，容易流动，任何打印出来的结构都会塌陷。

常见的解决方法是添加固体颗粒，形成支撑网络结构，从而赋予印刷油墨剪切变稀的特性，使油墨在高剪切力下挤出，在低剪切力下固化。但大量固体颗粒的加入会增加软性材料的硬度，也会使墨水难以通过小口径的针。然而，当固体颗粒的添加量较低时，不能保证印刷结构的稳定性。

因此，王一亮将墨水中的一些刚性固体颗粒替换为相变的石蜡颗粒，并结合新型3D打印系统——热DIW(Hot-，high-operating-temperature-direct ink writing)，实现了墨水流变行为的快速控制和高分辨率软件结构的3D打印。

具体来说，当油墨通过高温打印头时，石蜡的固液相变会导致模量和屈服强度降低，使油墨更容易流动和挤出。打印后，在较低的室温环境下，石蜡发生液固相变，油墨的流变性能得到恢复，从而保证了高分辨率打印结构的稳定性。

在研究中，他设计了大量微小的3D模型来验证该技术的可靠性。发现印刷的软硅胶的结构与设计一致，具有从顶部到底部的清楚的层和悬浮空纤维的高跨度。

图|高分辨率3D打印软硅胶的结构及其表面功能化(图片来源:先进材料)

利用该技术，可以灵活控制柔性器件的三维结构和性能。例如，印刷的软硅胶网格经过碳纳米管处理后可用于制备柔性压力传感器和透气超疏水仿生器件，通过控制网格的结构参数可以控制器件的性能。

图|高分辨率3D打印软硅胶结构用于构建柔性压力传感器(来源:先进材料)

目前，软硅胶在软机器人、柔性电子器件、仿生器件、植入式器件等领域的应用潜力巨大。该技术有望用于各种智能柔性器件的个性化快速制造，高分辨率的打印结构有助于提高柔性器件的性能。

图|高分辨率3D打印软硅胶结构在仿生和超疏水领域的应用(图片来源:先进材料)

综上所述，王一亮提出了一种简单而强大的3D打印策略，可以用来制造分辨率高、形状保真性好的软性硅胶物体。通过在墨水中构建温敏颗粒网络，调节针的温度，可以快速控制粘弹性墨水的流变特性，避免因重力引起的打印结构变形。

此外，这种3D打印方法可以实现各种软硅胶微结构的快速制备，显示了其在软材料个性化制造方面的强大。打印出的硅胶产品兼具高分辨率和丰富的微结构，可以拓展其在柔性电子领域的应用。

同时，3D打印技术具有易于功能化和多材料打印的优点，使得制造具有空功能的软件仿生器件成为可能，如具有良好透气性、超疏水性和形状记忆的软件器件。

王一亮认为，多组分软材料复杂微结构的3D打印技术最终有助于制造更强大的智能柔性设备和软机器人。

和电子电气领域，对基于软材料的可印刷导电油墨的需求将越来越强。

据报道，王一亮于2019年11月加入卡尔斯鲁厄理工学院。疫情的突然爆发对他的研究影响很大，几乎所有合作的实验室和团队都关闭了。

无法寻求合作，他只好在两年时间里独自完成了所有工作，从最初的墨水制备和优化、3D打印机的改装和调试、打印结构的设计和Gcode的编写，到柔性压力传感器和仿生超疏水器件的设计和组装，以及柔性器件相关测试平台的搭建。研究过程虽然坎坷，但收获满满。

在卡尔斯鲁厄理工学院的两年时间里，他的导师诺伯特教授给了他很多指导和帮助。Norbert教授认为，实现软硅胶材料微小3D结构的快速3D打印非常重要。于是，在入组的第二周，他被推荐去了斯图加特传媒学院的一个实验室，专门研究柔性电极丝网印刷的工业应用，进行学术交流。

这使他了解了传统电路板的制备工艺，同时也认识到软材料加工对柔性电子的发展和产业化的重要性。

诺伯特教授表示，团队研究导电银浆已经超过十年，他感觉新能源、电子、电力等领域对高端导电油墨的需求会越来越强烈，尤其是用于制备可拉伸、耐折叠柔性电路的软材料基导电浆料。

因此，王宜良将从两个方面进行进一步的研究。首先制备软硅胶基导电胶，结合本研究最终实现柔性传感器和电路板的快速集成3D打印。二是进一步探索该技术在柔性仿生和超疏水器件中的应用。此外，他将寻求机械和控制相关领域的合作伙伴，优化和升级新的墨水直写3D打印系统。

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参考:

1、王、杨、韦伦巴彻(2022)。支持相变、快速、高分辨率的软硅胶直接墨水书写。先进材料，2109240。

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