PNAS：哈佛大学研发出利用激光辅助直写成型的3D打印技术

3D打印技术无疑是当今科学研究领域内的一大研究热点。在金属材料领域，一方面，人们在追求能够打印出大尺寸且性能优良的大型构件，比如北航的王华明院士课题组就在这方面做出了卓有成效的工作，而另一方面，如果能够在微观尺度上打印出性能优良的小尺寸平面及三维构件，将会在柔性电子器件、显示器、传感器等领域获得重大应用。

本文献介绍了一种3D打印方法，它将直写成型技术与聚焦激光退火技术相结合。该技术相比于其他的3D打印技术具有三大优势：可以在半空中精确制造出符合力学性能要求的复杂形状构件；同时可以应用在低成本的塑料表面上；打印出的材料具有接近于块体银的高电导率。理论方面，为了优化工艺参数，研究人员在考虑打印速度、激光强度和脉冲持续时间等影响因素的基础上，建立了一个针对传热问题的模型。

文献图注

图1 激光直写成型技术

A: 激光直写成型的打印头，它包括激光显微镜、银墨器以及喷嘴；
B: 激光在喷嘴下游立刻聚焦的侧视图和俯视图；
C: 下游激光退火后银以及上游已经打印出银的纳米显微结构，标尺100nm；
D: 一个金属半球形螺旋任意形态3D打印的侧视图；
E: 在喷嘴上方安装的物镜；
F: 打印曲线结构中涉及到的关键参数；
G: 打印曲线形状的例子，两个图分别表示激光聚焦点和喷嘴处于合适的位置以及两者距离太远的情况；
H: 不同打印速度下的银墨温度分布情况；
I: 不同电脉冲频率下的银墨温度分布情况。

图2 激光退火后银线的电导特性及纳米结构

A: 银的电阻率随着激光强度的增加而降低，红线表示块体金属银的电阻率；
B/C: 连续波激光/脉冲波激光退火后银线的微观结构，数字表示辐照强度的峰值；
D: 变化的激光强度会造成当电流通过银线的时候，电阻元件会产生红外辐射；
E: 不同激光强度下形成的电阻器的电压电流特性；
F: 在PET薄膜上激光退火不同直径银线的SEM照片，上图是打印银线热影响区延伸的俯视伪彩色图（标距5um），中图是斜视图，下图是打印银线和PET基底界面处的放大图；
G: 热影响区宽度（黑色线）以及热影响区宽度与银线宽度的比值（红色线）随着银线直径的变化情况；
H: 将具有亚微米宽度的银线打印在一个透明的PET薄膜上；
I: 直径分别为3um和10um的银线打印在一个厚度为20um的PET薄膜上，接着进行循环电阻测试，曲率半径在2mm和7mm之间变化，图中给出的是归一化后的电阻随着循环周次的变化情况。

图3 打印任意形态的3D金属结构

A: 打印出的独立银螺旋线圈，线圈直径500um，虚线表示基底的面；
B: 打印出螺旋结构的受力测试，拉伸下达到150%的应变，随后在接触点破坏，然后恢复到50%的应变，接着进行压缩产生-50%的应变，释放掉载荷后，最终不可恢复的应变为-20%；
C: 一个800um高螺旋结构的载荷位移曲线，表现出线弹性行为，应变可达50%；
D: 打印半球形螺旋结构；
E: 打印蝴蝶状结构（标尺1mm）；
F: 在PET薄膜上打印的半球形螺旋结构；
G: 在PET薄膜上打印螺旋线圈，随后在曲率半径2mm至9mm的范围内进行循环测试10000周次。

文献链接：Laser-assisted direct ink writing of planar and 3D metal architectures

感谢材料人编辑部糯米提供素材