复合3D打印技术的现状分析

从学术发展的角度来看，复合式3D打印方法是打印技术中一个重要的研究方向，它可以是不同结构、不同墨水、不同打印方式的混合或结合［3-9］。Mannoor等［7］通过3D打印出一个人耳模样的凝胶，并添加一种包含银纳米颗粒的导电聚合物，从而制备出一个仿生耳朵。Jakus等［10］探索了制备石墨烯-羟基磷灰石复合打印墨水的方法，该方法分为湿混法和干混法（图7.1），湿混法是将液态的超弹性骨（hyperelasic bone，HB）和三维石墨烯（3D-graphene，3DG）分别合成之后再进行直接混合，类似于颜料掺混过程；干混法是首先将羟磷灰石（hydroxyapatite，HA）和石墨烯粉末混合，然后再进行常规墨水配制步骤，形成HB-3DG墨水。不论是湿混法还是干混法，均可以配制出不同比例成分的复合打印墨水。

图7.1　石墨烯羟基磷灰石复合打印墨水制备及应用［10］

a.用干混法或湿混法制备的HB-3DG墨水。针对干混法，采用HA和石墨烯的粉末混合来配制墨水，而对于湿混法，则要求HB和3DG各自独立合成后再加以混合；b.通过干混法或湿混法得到的各种比例的HA-石墨烯，比例值为石墨烯与HA的体积比，插图为掺混之前的墨水；c.使用HB-3DG及多材料打印的3D结构。

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图7.2　3D打印和电沉积复合系统原理［11］

其中，墨水为藻酸盐水凝胶。在系统示意图中，PC机用于控制3D打印喷头的移动和喷射速率，在基板（正极）和喷头（负极）之间施加直流电压以触发电沉积过程。

Shang等［11］报道了一种结合3D挤出式打印和电沉积法的复合打印方法来用以可控成型藻酸钙水凝胶3D结构（图7.2），做法如下：首先搭建一个带有定制注射喷头的传统3D打印平台，注射器中装有海藻酸钠和CaCO3纳米粒子的混合溶液，通过控制程序可连续将溶液喷射到导电基底上。在基底（正极）和喷嘴（负极）之间加正向直流电压（约5V）时，从CaCO3中游离出来的Ca2+可与藻酸盐结合，从而在基底上形成海藻酸钙水凝胶三维结构。

然而，这些打印用的墨水通常都是非金属材料，至今，使用金属和非金属墨水复合打印功能器件仍然是一个巨大的挑战，主要原因在于常规金属和非金属性质之间存在着巨大的差异，比如熔点差高达数百摄氏度，使得对应材料无法实施混合打印成型。在本章中会介绍由笔者实验室所发展的金属非金属复合式打印方法［1］，其中金属材料采用的是液态金属，这种方法可以将金属热导率、电导率高的优点与非金属防潮、绝缘、封装的性能较好地结合在一起。