具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多材料一維（1D）纖維一直是科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點優勢領先。其柔性新型儲能、可擴展性和多功能性使纖維廣泛應(yīng)用于驅(qū)動器增多、發(fā)光器件活動上、儲能設(shè)備、傳感器和藥物輸送裝置等應(yīng)用進一步推進。其中導向作用，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應用的選擇。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)用空間十大行動。然而，傳統(tǒng)的纖維加工方法（包括熔融紡絲創新延展、溶液紡絲和靜電紡絲）需要編織強化意識、針織等后紡絲工藝，這限制了生產(chǎn)效率基本情況，并給材料選擇和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造帶來了困難現場。

與傳統(tǒng)制造相比高端化，增材制造 (AM) 具有復(fù)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)我有所應，可以輕松實現(xiàn)微觀和宏觀結(jié)構(gòu)的制造提單產。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至關重要，在成本效益與材料兼容性等方面具有較大優(yōu)勢發展空間。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)無障礙。然而連日來，由于高分辨率微流道的設(shè)計和制造的復(fù)雜性，目前擠出頭的結(jié)構(gòu)選擇仍然有限認為。

基于此，西湖大學(xué)工學(xué)院周南嘉團隊提出了一種模塊化策略設(shè)計擠出頭增強，利用多材料直寫工藝擠出具有可調(diào)控周期性結(jié)構(gòu)的纖維重要意義，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)更加廣闊，并聯(lián)規劃，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)的多材料纖維可以使用。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)進入當下，模塊的種類數(shù)量和尺寸進行控制。通過模塊化平臺策略效高化，極大的簡化了擠出頭設(shè)計的難度新體系，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創造。

通過研究團隊的策略不難發現，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)的機械性能設備製造。首先發展需要，對于硬/軟硅橡膠復(fù)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）相對簡便，分別是均質(zhì)軟硅橡膠和硬硅橡膠的1.8和11.8倍重要組成部分。其次，受生物珍珠殼狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)合作，加工得到環(huán)氧樹脂/硅橡膠層狀復(fù)合材料勃勃生機，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)上一站式服務，研究團隊通過控制打印路徑廣度和深度，在3維木樁結(jié)構(gòu)中對周期結(jié)構(gòu)進行空間編程深入交流，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(fù)合材料相比加強宣傳，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)出了顯著的增強臺上與臺下，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(xué)術(shù)期刊《Additive Manufacturing》上技術發展。西湖大學(xué)博士生任靖波為論文第一作者集聚效應，西湖大學(xué)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(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心重要手段，先進微納加工與測試平臺互動講，物質(zhì)科學(xué)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)像一棵樹。(a)：模塊化擠出頭打印設(shè)備和打印 3D 結(jié)構(gòu)的示意圖過程中。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)：通過分裂能運用、堆疊達到、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)的影響不可缺少。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)蓬勃發展、倍增模塊 (MM)、出口模塊 (OM) 和連接模塊 (CM) 等功能模塊積極回應、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重要性。比例尺，2 mm (a), 100 μm (c)多種場景。

圖2. (a):串聯(lián)(左)和串并聯(lián)擠出頭(右)的照片多元化服務體系。(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)。比例尺使用，5 mm (a)更多可能性。

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足夠的實力。(c)：流量比對層厚度的影響緊迫性。(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。比例尺更適合，100 μm(c,d)高效。

圖4. 硬/軟硅橡膠層狀復(fù)合彈性體的力學(xué)性能。(a)：硬/軟硅橡膠墨水的流變行為要素配置改革。(b)：組分對彈性體韌性的影響體系。(c)：層狀結(jié)構(gòu)增韌機理與復(fù)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帶動產業發展。(e)：韌性和臨界應(yīng)變的比較責任製。比例尺十分落實，100 μm (a)，1 mm (c)規則製定。

圖5. 環(huán)氧樹脂/硅橡膠層狀復(fù)合纖維的力學(xué)性能製造業。（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)力分布關規定。（c）：復(fù)合纖維的測試方向發展基礎。（d）：組分對復(fù)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建強保護。（f）：層數(shù)對復(fù)合材料韌性的影響同期。比例尺，100 μm (a)使命責任，1 mm (e)效果。

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

通過引入更多功能模塊和不同的組裝方式力量，可以設(shè)計高度可定制化的擠出頭我有所應，以制備具有奇異性能和新功能的復(fù)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高效流通、光電調解製度、生物醫(yī)學(xué)支架等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。