Nature子刊：密蘇里大學(xué)開發(fā)出用于多材料制造的創(chuàng)新 3D 打印方法

2024年7月2日，南極熊獲悉,，來自密蘇里大學(xué)的研究人員提出一種新的多材料制造方法，只需一臺(tái)機(jī)器就能制造出由多種材料（包括塑料,、金屬和半導(dǎo)體）制成的復(fù)雜設(shè)備,。

這項(xiàng)研究最近以題為“Programmed multimaterial assemblyby synergized 3D printing and freeform laser induction/通過協(xié)同 3D 打印和自由形狀激光感應(yīng)進(jìn)行程序化多材料組裝”的論文被發(fā)表在《自然通訊》雜志上，概述了一種新穎的 3D 打印和激光工藝,，被稱為自由形態(tài)多材料組裝工藝（FMAP）,。該工藝協(xié)同結(jié)合了自由形狀激光誘導(dǎo) (FLI)、熔絲制造 (FFF)和直接墨水書寫 (DIW) 三種技術(shù)的優(yōu)勢(shì),，將結(jié)構(gòu)材料和可激光加工的功能材料無縫組裝成具有復(fù)雜幾何形狀和多功能性的 3D 工程物體,，可用于制造帶有電子元件的多材料、多層傳感器,、電路板甚至紡織品,。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48919-5

通過打印嵌入結(jié)構(gòu)中的傳感器，該機(jī)器可以制造出能夠感知環(huán)境條件（包括溫度和壓力）的物體,。對(duì)于其他研究人員來說,，這可能意味著擁有一個(gè)看起來很自然的物體，例如可以測(cè)量海水運(yùn)動(dòng)的巖石或貝殼,。對(duì)于公眾來說,，應(yīng)用可能包括監(jiān)測(cè)血壓和其他生命體征的可穿戴設(shè)備,。

密蘇里大學(xué)機(jī)械工程博士生,、這項(xiàng)研究的主要作者Bujingda Zheng說道：“這是首次使用這種工藝，它開啟了新的可能性,。我對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)很興奮,。我一直想做一些以前沒有人做過的事情，而我現(xiàn)在在密蘇里大學(xué)可以做到這一點(diǎn),�,！�

△博士生Bujingda Zheng利用3D打印和激光工藝制造多材料、多層傳感器,、電路板和帶有電子元件的紡織品,。圖片來源：Sam O'Keefe/密蘇里大學(xué)。

這項(xiàng)技術(shù)其中一個(gè)主要好處是創(chuàng)新者可以專注于設(shè)計(jì)新產(chǎn)品,，而不必?fù)?dān)心如何制作原型,。密蘇里大學(xué)機(jī)械與航空航天工程副教授 Jian Javen Lin 表示：“這為全新的市場(chǎng)打開了可能性。它將對(duì)可穿戴傳感器,、可定制機(jī)器人,、醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)生廣泛影響。”

目前,，制造多層結(jié)構(gòu)（例如印刷電路板）可能是一個(gè)繁瑣的過程,，涉及多個(gè)步驟和材料。這些過程成本高昂,、耗時(shí)長(zhǎng),，并且會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的廢物。

Zheng說：“自然界的一切都是由結(jié)構(gòu)和功能材料組成的,。例如,，電鰻有骨骼和肌肉，使它們能夠移動(dòng),。它們還有特殊的細(xì)胞,，可以釋放高達(dá) 500 伏的電壓來阻止捕食者。這些生物學(xué)觀察啟發(fā)了研究人員開發(fā)制造具有多功能應(yīng)用的3D 結(jié)構(gòu)的新方法,，但其他新興方法存在局限性,。”

具體而言,，當(dāng)談到材料的多功能性以及如何將較小的組件精確地放置在較大的 3D 結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí),，其他技術(shù)就顯得不足了。

△在塑料材料內(nèi)部印刷電極的示例,。圖片來源：Sam O’Keefe/密蘇里大學(xué),。

該團(tuán)隊(duì)的方法使用特殊技術(shù)來解決這些問題。團(tuán)隊(duì)成員制造了一臺(tái)擁有三個(gè)不同噴嘴的機(jī)器：一個(gè)噴嘴添加類似墨水的材料,，另一個(gè)噴嘴使用激光雕刻形狀和材料,，第三個(gè)噴嘴添加其他功能材料以增強(qiáng)產(chǎn)品的功能。

△FMAP平臺(tái)示意圖和使用 FMAP 組裝結(jié)構(gòu)和功能材料制造 3D 設(shè)備的工作流程,。

首先,，使用常規(guī) 3D 打印線材（例如聚碳酸酯，一種透明熱塑性塑料）制作基本結(jié)構(gòu),。然后,，切換到激光將一些部件轉(zhuǎn)換成一種稱為激光誘導(dǎo)石墨烯的特殊材料 - 將其準(zhǔn)確地放置在需要的地方。最后,，添加更多材料以增強(qiáng)最終產(chǎn)品的功能,。

這項(xiàng)工作由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) (NSF) 先進(jìn)制造計(jì)劃資助，NSF I-CorpsTM 計(jì)劃正在提供資金探索商業(yè)化,。

Lin教授表示：“I-Corps 項(xiàng)目正在幫助我們確定市場(chǎng)興趣和需求,。目前，我們認(rèn)為其他研究人員也會(huì)對(duì)此感興趣,，但我們相信它最終將使企業(yè)受益,。通過允許公司內(nèi)部制作原型,，它將縮短設(shè)備原型的制造時(shí)間。這項(xiàng)技術(shù)僅在密蘇里大學(xué)可用,，有望改變產(chǎn)品的制造和生產(chǎn)方式,。”