将多材料组装成结构和功能组件在自然界中无处不在，这激发了研究人员探索新的设计原则和制造方法，以创建具有多功能性的工程三维 （3D） 结构。传统上，混合制造技术可用于实现目标，但它们需要多个后续过程。例如，生产多层 3D 打印电路板 （PCB） 需要蚀刻、层压、热压、钻孔等步骤。
这些过程需要大量的资本投资，同时会产生不需要的废物流，从而对可持续性构成重大挑战。为了提高材料利用效率并规避组装多材料的挑战，最近出现了一些新技术，例如机械驱动组装、转移打印和多材料 3D 打印。
在这些新兴技术中，多材料3D打印因其潜在的优势而备受关注，包括成本效益、减少废物产生和易于定制。因此，最近在多材料制造中的应用取得了许多进展。例如，直接墨迹书写 （DIW） 方法可以制造 3D 软电子产品6和发光二极管 （LED）嵌入式 3D 打印通过在聚合物封装中嵌入功能性碳脂，促进了柔性传感器的生产已经开发出一种具有快速材料切换能力的多喷嘴 DIW 打印机，用于打印各种蜡基结构。核壳DIW喷嘴的进一步发展使环氧树脂/硅胶等多材料能够组装成不同的3D结构，包括三明治13和螺旋。多轴熔丝制造 （FFF）和保形 DIW16可以使导电丝在3D曲面上共形沉积。此外，该领域还有其他值得注意的发展，例如多材料的数字光处理 （DLP）。
然而，在多材料制造领域，这些技术仍然面临着在3D结构中精确放置功能材料和获得更广泛的材料选择方面缺乏多功能性的挑战。例如，嵌入式3D打印需要为结构材料准备模具这种必要性限制了实现复杂几何形状的能力，例如在空心和独立特征中。在核壳3D打印的情况下，虽然可以打印由功能材料制成的内部结构的物体，但功能材料和结构材料是同时连续挤出的，因此无法将功能材料沉积在预先设计的位置，例如外表面除了印刷结构复杂性的限制外，它们通常受到材料选择有限的影响。例如，多喷嘴 DIW 挤出同时包含导电材料和聚合物的复合油墨，使所得材料具有低导电性和低机械强度。DLP非常局限于感光树脂。
此外，多材料打印工艺需要在不同的大桶之间切换，同时从大桶中清除非聚合残留材料，这导致材料利用效率低下。所有这些挑战都凸显了多材料制造方法需要进一步创新，提高结构复杂性的多功能性并拓宽材料选择范围。
直接激光写入 （DLW） 在通过感应光热或/和光化学效应对各种功能材料进行图案化方面显示出多功能性。它们大大扩展了可用材料库，包括激光诱导石墨烯（LIG）金属、金属氧化物半导体和陶瓷DLW的最新趋势是将这些功能材料组装成3D结构，而这一目标在很大程度上受到其在二维平面上制造功能材料的能力的限制。
最近，我们引入了一种由 5 轴激光加工平台促进的自由曲面激光感应 （FLI） 方法。这种方法可以在自由曲面上直接制造 3D 适形电子元件29.虽然这种技术代表了DLW能力的进步，但在3D结构的预先设计位置内对功能材料进行空间图案化以创建多功能对象仍然是一个挑战。
在这里，为了应对这一挑战，我们提出了一种自由曲面多材料组装工艺（FMAP），该工艺协同结合了三种技术（FLI、DIW 和 FFF）的优势，将结构和激光加工功能材料无缝组装成具有复杂几何形状和多功能的 3D 工程对象。FFF 可以使用市售的热塑性塑料（如聚碳酸酯 （PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PETG） 和热塑性聚氨酯 （TPU） 以及聚偏二氟乙烯 （PVDF） 构建结构部件，而 FLI 则选择性地将 FFF 打印材料转化为 3D 空间中预先设计位置的 LIG。DIW可以将前驱体沉积到LIG电极上，以便稍后激光诱导其他功能材料，例如银、铁、钴、镍和铜氧化物，以获得基于LIG的功能复合材料。凭借FFF和FLI的优点，功能材料要么被封装在打印的3D物体内部，要么封装在它们的外表面上，从而形成集成的功能3D设备。它们包括用于发光二极管 （LED） 阵列的横杆电路、用于集成多功能弹簧和触觉机械手的应变传感器、紫外线传感器、作为旋转编码器的 3D 电磁铁、用于人机界面 （HMI） 的电容式传感器，以及用于纳米材料合成的带有内置焦耳加热器的集成微流体反应器。所展示的方法显示了一系列进步。
首先，它有助于通过单个设备将功能和结构材料编程组装到集成的 3D 设备中，从而消除了不同设备中许多加工步骤的要求。
其次，它通过直接激光加工不同的功能材料，而前体废物流可以忽略不计，从而增强了多功能性。第三，FLI将功能材料的合成与FFF和DIW解耦，因此它可以在3D结构的任何预先设计的位置对它们进行图案化。总体而言，这种方法代表了在创建集成、多功能 3D 对象方面向前迈出的一步，这些对象适用于电子/传感器、HMI、机器人和功能微流体。
