具有復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多材料一維（1D）纖維一直是科學與工程領(lǐng)域的研究熱點。其柔性、可擴展性和多功能性使纖維廣泛應(yīng)用于驅(qū)動器、發(fā)光器件、儲能設(shè)備、傳感器和藥物輸送裝置等應(yīng)用。其中，周期性結(jié)構(gòu)纖維可以通過對周期的設(shè)計和調(diào)控，顯著提高纖維的性能和功能。將一維纖維組裝成二維圖案或三維結(jié)構(gòu)將大大擴展其應(yīng)用空間。然而，傳統(tǒng)的纖維加工方法（包括熔融紡絲、溶液紡絲和靜電紡絲）需要編織、針織等后紡絲工藝，這限制了生產(chǎn)效率，并給材料選擇和復雜結(jié)構(gòu)的制造帶來了困難。

與傳統(tǒng)制造相比，增材制造 (AM) 具有復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計和快速成型的優(yōu)勢。利用 3D 打印技術(shù)，可以輕松實現(xiàn)微觀和宏觀結(jié)構(gòu)的制造。其中，直接墨水書寫 (DIW) 是一種被廣泛使用的多材料擠出加工方法，在成本效益與材料兼容性等方面具有較大優(yōu)勢。為了擴展擠出過程中多種材料的可編程性，微流體擠出頭設(shè)計已被用于創(chuàng)建多功能纖維結(jié)構(gòu)。然而，由于高分辨率微流道的設(shè)計和制造的復雜性，目前擠出頭的結(jié)構(gòu)選擇仍然有限。

基于此，西湖大學工學院周南嘉團隊提出了一種模塊化策略設(shè)計擠出頭，利用多材料直寫工藝擠出具有可調(diào)控周期性結(jié)構(gòu)的纖維，并用來制造具有空間可編程周期性結(jié)構(gòu)的 3D 物體。不同功能的模塊可以通過串聯(lián)，并聯(lián)，串并聯(lián)等不同的方式進行連接組裝，用來制備具有層狀結(jié)構(gòu)和棋盤結(jié)構(gòu)的多材料纖維。纖維內(nèi)部的周期性結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，模塊的種類數(shù)量和尺寸進行控制。通過模塊化平臺策略，極大的簡化了擠出頭設(shè)計的難度，提高了具有周期性結(jié)構(gòu)纖維的加工效率。該擠出頭是利用摩方精密nanoArch® P140和S140 高精度DLP 3D打印設(shè)備（精度：10μm）一體化成型制造而成。

通過研究團隊的策略，兩種具有相似流變性能和不同機械性能的不混溶材料用于共擠出。周期性結(jié)構(gòu)可以顯著提高纖維和晶格結(jié)構(gòu)的機械性能。首先，對于硬/軟硅橡膠復合彈性體，層狀結(jié)構(gòu)纖維展現(xiàn)出最高的斷裂韌性（14.009 KJ/m2），分別是均質(zhì)軟硅橡膠和硬硅橡膠的1.8和11.8倍。其次，受生物珍珠殼狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，加工得到環(huán)氧樹脂/硅橡膠層狀復合材料，纖維的增韌效果表現(xiàn)出明顯的各向異性行為。在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過控制打印路徑，在3維木樁結(jié)構(gòu)中對周期結(jié)構(gòu)進行空間編程，使打印結(jié)構(gòu)在壓縮測試中不會發(fā)生災(zāi)難性的結(jié)構(gòu)損壞。與直接混合的復合材料相比，層狀結(jié)構(gòu)的纖維的韌性和交錯木樁結(jié)構(gòu)的能量吸收能力表現(xiàn)出了顯著的增強，分別提高了 4.3 倍（10.45 MPa）和 6.5 倍（12.43 J/g）。

本研究成果以“Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads"為題發(fā)表在學術(shù)期刊《Additive Manufacturing》上。西湖大學博士生任靖波為論文第一作者，西湖大學特聘研究員周南嘉為論文通訊作者。本研究得到了西湖大學未來產(chǎn)業(yè)研究中心，先進微納加工與測試平臺，物質(zhì)科學公共實驗平臺的大力支持。

圖1. 模塊化擠出頭和打印結(jié)構(gòu)。(a)：模塊化擠出頭打印設(shè)備和打印 3D 結(jié)構(gòu)的示意圖。放大的部分顯示了具有內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的基本單元倍增器 (BME) 設(shè)計。(b)：通過分裂、堆疊、擴散實現(xiàn)流體強制倍增的過程。(c)：組裝策略對纖維結(jié)構(gòu)的影響。模塊化擠出頭設(shè)計以及對應(yīng)于串聯(lián)和串并聯(lián)擠出頭各個部分的理論纖維結(jié)構(gòu)——包括入口模塊 (IM)、倍增模塊 (MM)、出口模塊 (OM) 和連接模塊 (CM) 等功能模塊、纖維內(nèi)部周期性圖案示意圖以及串聯(lián)和串并聯(lián)組裝策略的打印纖維的橫截面照片。比例尺，2 mm (a), 100 μm (c)。

圖2. (a):串聯(lián)(左)和串并聯(lián)擠出頭(右)的照片。(b):定制的四軸打印平臺(左)和在3D打印設(shè)備中組裝的擠出頭(右)。比例尺，5 mm (a)。

圖3. 纖維內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)的調(diào)控。(a-b)：粘度匹配對層均勻性的影響。(c)：流量比對層厚度的影響。(d-e)：多層結(jié)構(gòu)纖維的橫截面照片與實際層厚與理論層厚的比較。比例尺，100 μm(c,d)。

圖4. 硬/軟硅橡膠層狀復合彈性體的力學性能。(a)：硬/軟硅橡膠墨水的流變行為。(b)：組分對彈性體韌性的影響。(c)：層狀結(jié)構(gòu)增韌機理與復合彈性體纖維在拉伸試驗過程中相應(yīng)的斷裂過程。(d)：層數(shù)對彈性體韌性的影響。(e)：韌性和臨界應(yīng)變的比較。比例尺，100 μm (a)，1 mm (c)。

圖5. 環(huán)氧樹脂/硅橡膠層狀復合纖維的力學性能。（a）：環(huán)氧樹脂/硅橡膠墨水的流變行為。（b）：三點彎曲試驗示意圖和相應(yīng)的長絲應(yīng)力分布。（c）：復合纖維的測試方向。（d）：組分對復合材料模量和韌性的影響。（e）：層狀結(jié)構(gòu)阻止裂紋擴展進行增韌。（f）：層數(shù)對復合材料韌性的影響。比例尺，100 μm (a)，1 mm (e)。

圖6. 3D交錯木樁結(jié)構(gòu)的力學性能。（a）：打印路徑示意圖。（b）：壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）：打印結(jié)構(gòu)在壓縮測試中相應(yīng)的失效過程。比例尺，5 mm（c）。

通過引入更多功能模塊和不同的組裝方式，可以設(shè)計高度可定制化的擠出頭，以制備具有奇異性能和新功能的復雜結(jié)構(gòu)纖維。設(shè)計的靈活性和材料兼容性使研究團隊的策略在建筑、光電、生物醫(yī)學支架等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。