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摩方精密2023年科研文章汇总(下)

更新时间:2024-02-05      点击次数:282

摩方精密一直以技术创新为原动力,专注于制造高精密微纳3D打印系统及材料。凭借超高精度微纳3D打印技术,为科研人员提供强大的技术支持,使多个领域取得了具有里程碑意义的研究成果。

在探索未知的道路上,各领域不断积累着知识与智慧,每一项科研成果都是对自然界和人类社会更深入一层的理解。过去一年,许多高校机构通过摩方精密微纳3D打印技术,完成多项科研创新项目,涵盖力学、仿生学、微机械、微流控、超材料、新材料、生物医疗以及太赫兹应用八个领域,这不仅是对2023年科研活动的全面梳理,更是对未来科研趋势的可视化预测。

接下来,本篇将重点探讨四个科研领域:仿生学、新材料、微流控、微机械。

01PART ONE-仿生学

微米级3D打印助力仿爬岩鱼吸盘制备

■ 发表期刊:《Biomimetics》

■ 研究团队:中国科学院合肥物质科学研究院的吴晅副研究员团队

该团队受爬岩鱼吸附现象的启发,研制了一款边缘具有分层微结构的仿生吸附器件,并从毛细力和Stefan黏附相关的角度解释了微结构边缘在增强粘附力所起的作用。

研究人员利用面投影微立体光刻技术(nanoArch® S140,10μm精度)和胶体球刻蚀技术制造了具有不同仿生特征的仿生吸盘,通过实验验证了微结构形状和规模、表面粗糙度和边缘材料对仿生吸盘粘附力的影响。最后,团队进行了拉脱实验以表征仿生边缘的剥离行为,并说明微结构在吸盘边缘从基底动态剥离中的作用。


爬岩鱼生物吸盘和仿生吸盘结构



02PART TWO-新材料

芳纶纳米纤维增强的强韧、抗疲劳的可3D打印水凝胶

■ 发表期刊:《Materials Today》

■ 研究团队:清华大学航天航空学院李晓雁教授和南方科技大学葛锜副教授团队

该团队向可3D打印水凝胶前驱体溶液中引入芳纶纳米纤维(ANF),在紫外光下固化后得到了芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料。

芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料仍具有基于DLP技术的可3D打印的特性,以含0.3 wt% ANF的水凝胶复合材料为例,团队成员使用摩方精密公司的microArch®S240(10μm精度)微立体光刻光固化3D打印设备,制备了具有复杂几何形状的点阵结构,同时还制备了人类心脏结构。通过细胞实验表明,加入芳纶纳米纤维后,水凝胶复合材料依然具有良好的生物相容性。


水凝胶复合材料的3D打印、生物相容性和性能对比



新型光散射抑制机制助力高保真光固化生物3D打印

■ 发表期刊:《Nature Communications》

■ 研究团队:湖南大学机械与运载工程学院韩晓筱教授课题组

该课题组等提出了一种光吸收与自由基反应协同作用的光散射抑制新机制,并基于此机制开发了一种新型光抑制剂(Curcumin-Na,Cur-Na),降低了载细胞水凝胶光固化打印过程中的光散射效应,将打印精度提高到1.2-2.1像素点,几何误差低于5%,成功制造了各种具有多尺度通道和薄壁网络结构的生物活性功能支架。

团队将添加了Cur-Na的生物墨水应用到摩方精密 nanoArch®S140(10μm精度)光固化打印机中,成功地制造了各种复杂结构体(仿生支架,可灌注血管网络,极小三周期曲面等),证明了该光抑制剂在制造具有小尺度特征的功能性载细胞三维支架方面的优异能力。进一步证明了此生物墨水在组织工程中的适用性。


复杂三维结构时的分辨率和高保真度



光固化3D打印高精度高强度聚合物衍生SiOC陶瓷

■ 发表期刊:《Additive Manufacturing》

■ 研究团队:南方科技大学葛锜/王荣团队.2023.103889

该团队开发了一种具有超高打印精度和高陶瓷产率的PCP前驱体,采用摩方精密nanoArch® S130(2μm精度)和microArch® S240(10μm精度)3D打印设备,制备了尺寸从亚毫米到厘米的多种复杂三维结构,打印精度高达5μm。PCP前驱体在1100℃真空热解后转化为SiOC陶瓷,陶瓷产率高达56.9%。

研究团队设计了一种基于三重周期极小曲面的I-WP结构(孔隙率80%),该结构SiOC陶瓷抗压强度高达240 MPa,实际密度仅为0.367 g/cm3,对应比强度为6.54×105 N·m/kg。超高打印精度、优秀的比强度、高陶瓷产率以及复杂高精度零部件的可加工性能,这些特性可极大的促进PDC陶瓷在工程领域和恶劣环境中的应用。


3D打印聚合物衍生SiOC陶瓷



3D打印高性能Mg2TiO4微波陶瓷

■ 发表期刊:《Additive Manufacturing》

■ 研究团队:中南大学刘绍军课题组和河北工业大学胡宁团队.2023.103413

该团队通过面投影微立体光刻技术(microArch®S240,10μm精度)成功制备了高性能高精度的Mg2TiO4微波陶瓷,并澄清了加工参数(激光功率、曝光时间和铺层厚度)对加工精度和介电性能的影响,最终制备出加工误差为16微米和品质因子为142,000GHz的Mg2TiO4微波陶瓷。

该制备方法成功解决了3D打印功能陶瓷的多重问题,例如成形样品精度差,密度低和介电性能较传统成形方法低等诸多问题。同时该研究为3D打印结构和功能陶瓷的商业化应用提供了理论基础。


功率密度和铺层厚度对样品加工误差的影响



基于改性聚合物3D打印的功能化金属微结构制造

■ 发表期刊:《Additive Manufacturing》

■ 研究团队:南洋理工大学的Hirotaka Sato教授团队,王一凡教授团队以及早稻田大学的Shinjiro Umezu教授团队

该课题组合作提出了一种新型的金属-聚合物微尺度三维结构的制造方法。该方法采用将催化剂前体加载到光固化树脂中的方法,利用新型面投影微立体光刻技术(nanoArch®S140,10μm精度)进行复杂结构的高精度3D打印,并使用NaOH 溶液对打印样品进行预处理,以增加催化剂前体 [Pd(II)] 的存在,便于后续将金属化学镀(ELD)到打印样品上。

与传统工艺相比,该工艺更加安全环保,并且耗时更少,同时更加便宜。此外,此方法还可以实现金属的多层沉积以获得具有所需特性组合的多功能结构。该制造方法克服了传统化学镀工艺的瓶颈,例如进行预处理时对有毒化学品的使用。


金属-聚合物混合微结构进行 3D 打印



03PART THREE-微流控

纵横织构锥体表面液滴双模式自运输和水收集

■ 发表期刊:《Chemical Engineering Journal》

■ 研究团队:江苏大学张忠强教授团队023.147336

该团队制备出了一种带有横向梯度微通道和环向凹槽的新型纵横织构锥体,提出了功能表面梯度表面张力-毛细吮吸力耦合作用下液滴自运输双模式,实现了多尺度液滴超快速、长距离无损自运输。

研究通过摩方精密nanoArch® S140(10μm精度)高精度3D打印机制备了纵横织构锥体,实现了多尺度液滴超快速定向长距离自运输。纵横织构锥体触发了两种流体运输模式:通过Young-Laplace压力差驱动的液滴和微通道内吮吸压力诱导的流体运输。由于环向凹槽连通了梯度微通道,保证了残留水层和滞留在锥体表面的液滴仍能自发的被运输到锥体根部,最终实现了液滴的完整运输。


纵横织构锥体模型与结构表征



亚体素控制的双材料多结构细丝的微流控打印

■ 发表期刊:《Advanced Materials Technologies》

■ 研究团队:北京航空航天大学机械学院陈华伟课题组

该课题组提出了一种动态可调节的DIW打印策略,该策略将一个可移动的打印针连接到一个Y形微流控喷嘴中,通过调节挤出压力和针头在微流控喷嘴中的运动,能够精确控制细丝内层的位置、比例和形状,进而再对细丝内层结构进行精确的亚体素控制,可以制造具有各种复杂结构的细丝。

该研究构建了一种动态可调节的DIW打印平台。该平台由一个三轴线性运动平台与一个微流体打印头构成,为了实现亚体素控制的细丝,该打印头是由一个Y形流道的微流控芯片、一个电机控制的微动台、一个固定的打印针和一个可移动的打印针组成,两个打印针从Y形流道的两个臂中插入。该微流控芯片使用了摩方精密公司的microArch® S240(10μm精度)高精度3D打印机制造,内通道尺寸最小为800μm,通道尺寸决定了打印细丝的直径及打印的精度,高精度的微流控芯片通道也保证了通道和打印针之间的良好配合。


可编程亚体素控制的双材料多结构细丝的微流控打印平台



基于水-沙运动特性的分流对冲式滴灌灌水器抗堵性能优化

■ 发表期刊:《Water》

■ 研究团队:石河子大学王振华教授团队01

该研究团队提出了一种分流对冲式滴灌灌水器和基于水-沙运动特性的灌水器抗堵优化方案。该团队利用新型一体化打印技术(nanoArch®S140,10μm精度)实现了滴灌灌水器流道试件的高精度3D打印,并开展了物理试验和数值模拟研究。该研究提出的灌水器抗堵优化方案在维持灌水器水力性能的前提下,能够使灌水器的抗堵塞性能提升60%。


分流对冲式流道结构参数及打印试件



04PART FOUR-微机械

基于可调塑性的凝固态液态金属的3D柔性电子

■ 发表期刊:《Nature Electronics》

■ 研究团队:哈尔滨工业大学(深圳)马星教授联合中科院深圳先进技术研究院刘志远研究员

马星教授联合刘志远研究员,提出了一种通过将镓基液态金属转变为固态并通过塑性变形制备复杂3D结构柔性导体的方法。

为证明该方案的实用性,作者设计了具有超高灵敏度的3D应变传感器、由3D跳线导体构成的二极管 (LED) 阵列以及由3D螺旋结构的可穿戴传感器和多层柔性电路板组成的手指动作监测装置。在本项研究中,由摩方精密nanoArch®P150设备(25μm精度)3D打印的高精度模具,为制备2D应变传感电路和3D拱形跳线提供了精密支持。


3D结构的可穿戴手指动作监测柔性装置



基于非对称互锁梯度模量结构的柔性电容式压力传感

■ 发表期刊:《Advanced Functional MaterialsL》

■ 研究团队:复旦大学武利民课题组

该课题组研发了一种基于非对称互锁梯度模量结构的柔性电容式压力传感用于超宽范围压力监测。在该传感器中,非对称互锁的结构化电极为监测范围的拓宽起到了至关重要的作用。

团队采用摩方精密nanoArch® S130(2μm精度)3D打印设备,实现了非对称互锁穹顶结构模板的高精度打印,并创新性地将非对称互锁的结构化电极和梯度模量的概念结合起来,在保障了传感器其余性能的同时,进一步扩大了监测范围,确保了传感的可靠性。


非对称互锁梯度模量传感器的结构设计与应用



具有高时空分辨率的机器人感知系统用于纹理识别

■ 发表期刊:《Nature Communications》

■ 研究团队:南方科技大学的郭传飞课题组

该课题组研发了一种基于柔性滑觉传感的机器人触觉感知系统用于纹理识别。该传感器中,表面的指纹结构和传感器中的微结构层对传感性能起到关键作用。

团队采用摩方精密nanoArch® S130(2μm精度)3D打印设备,实现了类指纹结构模板和分级微结构模板的高精度打印,并结合倒模技术制备了柔性PDMS人工指纹(周期:350 μm,高度:260μm)和具有分级微结构的离子凝胶(周期:200μm,高度: 55μm)。


模仿人类感官系统进行纹理识别的机器人感知系统



基于超精密3D打印柔性传感的软体机器人“非接触式"交互示教

■ 发表期刊:《Nature Communications》

■ 研究团队:北京航空航天大学机械工程及自动化学院仿生机器人研究团队文力课题组

该团队最新提出的基于双模态智能传感界面的软体机器人非接触交互示教方法。课题组基于摩擦纳米发电机原理和液态金属的压阻效应提出了一种能够对非接触信号和接触信号进行实时感知和解耦的柔性双模态智能传感器(flexible bimodal smart skin, FBSS)。该传感器结构上主要包括柔性介电层、柔性电极层、激励层、液态金属图案和封装层组成。

该团队利用新型微立体面投影光刻技术(nanoArch® S140,10μm精度)实现了柔性介电层表面微型金字塔模具的3D打印,该传感器自身具有较强的柔性和可拉伸性。


FBSS的设计与传感原理



超声辅助实现液态金属墨水的非接触烧结及电路构建

■ 发表期刊:《Advanced Science》

■ 研究团队:哈尔滨工业大学(深圳)马星教授团队

该团队提出一种超声辅助烧结策略,该策略不仅可以保持LM电路的原始形态,而且可以在各种复杂表面形貌的衬底上烧结电路。通过该方法实现了柔性材料上LM电路的烧结,并验证了该方法在构建可拉伸或柔性电子器件方面的可行性。其提出利用水作为能量传输介质,实现了与基底材料间接接触的远程烧结,极大地保护了LM电路免受机械损伤。该方法有助于为不同场景下的LM电路构建提供技术途径。

团队成员使用面投影微立体光刻技术(nanoArch® P150,25μm精度)制备了不同的树脂模型,通过在模型上设计沟槽再涂覆墨水的方法实现了三维表面上复杂线路的构建。


LM墨水的制备流程示意图



基于离电传感器的指尖脉搏测试在动脉硬化中的应用

■ 发表期刊:《Advanced Healthcare Materials》

■ 研究团队:南方科技大学的郭传飞课题组与南方科技大学医院、深圳技术大学等单位

作者构建了一种多功能微针(MN)贴片,该微针贴片是利用摩方精密的 nanoArch® S140(10μm精度)3D打印设备加工模具后经PDMS翻模制备而成。可通过高效的化学-光动力抗菌协同作用和生长因子在创面的持续释放来实现伤口的快速愈合。

该研究设计的基于MOFs的多功能微针贴片为慢性感染伤口的治疗提供了一种简单、安全、有效的替代方案。


多功能M/DP MN贴片的制备与表征



微针SERS传感器实现农药残检测

■ 发表期刊:《ACS Applied Materials & Interfaces》

■ 研究团队:广东工业大学王成勇教授团队

该团队提出了一种新型的微针SERS传感器。该团队利用2微米精度的面投影微立体光刻技术(nanoArch® S130 ,2μm精度)实现微针模具的高精度3D打印,结合倒模技术,并将银纳米颗粒引入到透明质酸钠/聚乙烯醇水凝胶微针贴片(PVA/HA MN)中,最终获得具有高灵敏性能的Ag/HA/PVA微针贴片基SERS传感器。

该传感器由银纳米颗粒和透明质酸钠/聚乙烯醇水凝胶组成,具有优异的溶胀性能,能快速吸收农产品中残留的农药,实现残留农药的快速检测,以及具有高比表面积的台阶结构,极大的提高了微针SERS传感器的检测性能。


微针SERS传感器同时检测农产品表面和内部残留农药的原理图


 创新驱动

在此,摩方精密向所有辛勤的学者和研究人员致以崇高的敬意,并期待他们在新的一年里收获满满,硕果累累。

摩方精密将持续致力于加快新产品的研发步伐,整合内外部资源,提供更优化的服务,将持续不断地为客户提供专业的技术支持、高效率的服务和一站式的系统解决方案,以期实现互利共赢的局面,共同迎接行业高速发展带来的新机遇。