层出不穷的3D打印新成果：电池、材料、冰结构打印

NO.1 微型钠离子电池

近日，大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员与郑双好副研究员团队，开发了可形成三维导电网络的电极油墨与高离子电导率的电解质油墨，显著提高了3D打印高载量微电极中的电子和离子传输效率，研制出高容量、高倍率柔性化钠离子微型电池。而可穿戴电子产品与微电子器件的发展，推动了对高性能、多功能、可定制以及柔性化微功率源的研究。平面钠离子微型电池由于钠资源丰富、成本低且钠离子传输较快等优势，被认为是一种有前景的新型微功率源。

目前，钠离子微型电池通过微加工技术制备出的微电极通常厚度有限(<10μm)，使得其面积容量低于0.04mAh/cm2，难以满足对更高面积容量的需求；为此，需要发展一种高效可行的策略来构建三维结构的钠离子微型电池(电极厚度需>100μm)，以充分利用有限的空间。然而，厚电极中因弯曲度高、离子扩散路径长、电极材料利用不充分，阻碍了电子/离子的快速传输和转化，从而难以实现高性能钠离子微型电池的构筑。而得益于多孔微电极结构能够容纳机械应力以及离子液体凝胶电解质与基底的强界面相互作用，该钠离子微型电池表现出优异的机械柔性。本工作展现了3D打印高性能平面微型电池在可穿戴和便携式微电子领域的应用潜力。

近日，中国南方科技大学刘吉和同事研发出一种利用多材料3D打印技术制造柔性电致发光装置的方法，他们配置了可用于3D打印的离子导电、电致发光和绝缘墨水，并用该墨水制造出操作便捷、可按需生产的柔性可拉伸电致发光装置。他们用该方法制作出一款可发蓝光的柔性腕带，还将该装置集成到一个软体机器人中，该机器人能像变色龙一样根据背景无时延地改变表面颜色。

论文作者指出，该装置即使在不同的机械形变模式(如弯曲、扭曲、拉伸)下依然具有电致发光稳定性。该策略或能用于开发下一代智能显示器、可穿戴电子器件和人造伪装。相关论文称，柔性电子器件的传统制造方法涉及多个步骤和昂贵的工具，限制了它们在快速成型和定制化方面的应用前景。因此，亟需开发一种简易、多功能制造策略来满足技术和光学应用对柔性电致发光装置不断增长的需求。

NO.3 冰结构3D打印

卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种3D打印微型冰结构的方法，该方法可以用作牺牲模板，在其他部分形成复杂的通道。这种“由内而外”的3D打印过程涉及将水滴喷射到定制平台上，在 -31°F 的温度下着陆时能够将其冻结。然后可以将这些光滑、无支撑的冰雕浸泡在树脂中并固化，以将它们融化，留下具有复杂内部通道的零件。

据该团队称，这项技术有可能生产出具有完整的液体或气流管道网络的设备，包括从能够安全、无创地与患者互动的软机器人，到灵活的电子设备和具有静脉一样通道的仿生人体组织。“使用我们的3D制冰工艺，可以制造具有光滑壁和具有平滑过渡的分支结构的微型冰模板，”该项目的研究员和卡内基梅隆大学机械工程专业的学生 Akash Garg 解释说。“这些随后可用于制造具有明确内部空隙的微型零件。”

时间回到 1999 年，清华大学和新泽西理工学院的科学家甚至试验了一种快速冷冻原型3D打印工艺，用于建造更大的厘米级结构。但在实践中，这些方法难以匹配具有光滑表面和微观特征的物体的生产。特别是后者，在沉积和冻结之间也存在时间延迟，这使得在没有支撑的情况下难以打印。为了使冰3D打印更可行，卡内基梅隆大学团队现在建造了自己的3D打印机，该打印机由安装在 X-Y 平台上的温度控制平台和 MicroFab 喷墨打印头组成。使用液滴喷射频率调制，这种设置理论上允许喷射与平台的运动同步，从而能够创建表面光滑的部件。

通过触发快速的液体到固体的相变，该系统还能够在不需要支撑的情况下做到这一点，同时在丙烯酸外壳内进行该过程使其能够以防止结霜的方式进行。为了测试他们的系统，研究人员最初尝试3D打印狭窄的倾斜支柱，但过度的平台移动导致许多液滴错过目标并开始新的构建。然而，使用这些测试的数据，科学家们发现他们可以开发预编程的阶段轨迹，产生具有弯曲几何形状和高达 80° 悬垂的结构。

在复制这些测试以创建一系列日益复杂的3D几何图形后，该团队继续评估它们作为牺牲模板的功效。在这个过程中，一组3D打印的冰雕浸没在 Henkel Loctite 3971 树脂中，该树脂已经过预冷以防止它们瞬间融化。然而，即便如此，最初的模板还是融化了，取代了最终零件的内部通道。