Nature子刊：密蘇里大學開發(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，來自密蘇里大學的研究人員提出一種新的多材料制造方法，只需一臺機器就能制造出由多種材料（包括塑料、金屬和半導體）制成的復雜設備。

這項研究最近以題為“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進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)同結合了自由形狀激光誘導 (FLI)、熔絲制造 (FFF)和直接墨水書寫 (DIW) 三種技術的優(yōu)勢，將結構材料和可激光加工的功能材料無縫組裝成具有復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

通過打印嵌入結構中的傳感器，該機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。對于其他研究人員來說，這可能意味著擁有一個看起來很自然的物體，例如可以測量海水運動的巖石或貝殼。對于公眾來說，應用可能包括監(jiān)測血壓和其他生命體征的可穿戴設備。

密蘇里大學機械工程博士生、這項研究的主要作者Bujingda Zheng說道：“這是首次使用這種工藝，它開啟了新的可能性。我對這個設計很興奮。我一直想做一些以前沒有人做過的事情，而我現(xiàn)在在密蘇里大學可以做到這一點?！?/div>

△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。

這項技術其中一個主要好處是創(chuàng)新者可以專注于設計新產(chǎn)品，而不必擔心如何制作原型。密蘇里大學機械與航空航天工程副教授 Jian Javen Lin 表示：“這為全新的市場打開了可能性。它將對可穿戴傳感器、可定制機器人、醫(yī)療設備等產(chǎn)生廣泛影響?！?/div>

目前，制造多層結構（例如印刷電路板）可能是一個繁瑣的過程，涉及多個步驟和材料。這些過程成本高昂、耗時長，并且會產(chǎn)生對環(huán)境有害的廢物。

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

具體而言，當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 結構內(nèi)時，其他技術就顯得不足了。

△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。

該團隊的方法使用特殊技術來解決這些問題。團隊成員制造了一臺擁有三個不同噴嘴的機器：一個噴嘴添加類似墨水的材料，另一個噴嘴使用激光雕刻形狀和材料，第三個噴嘴添加其他功能材料以增強產(chǎn)品的功能。

△FMAP平臺示意圖和使用 FMAP 組裝結構和功能材料制造 3D 設備的工作流程。

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）制作基本結構。然后，切換到激光將一些部件轉(zhuǎn)換成一種稱為激光誘導石墨烯的特殊材料 - 將其準確地放置在需要的地方。最后，添加更多材料以增強最終產(chǎn)品的功能。

這項工作由美國國家科學基金會 (NSF) 先進制造計劃資助，NSF I-CorpsTM 計劃正在提供資金探索商業(yè)化。

Lin教授表示：“I-Corps 項目正在幫助我們確定市場興趣和需求。目前，我們認為其他研究人員也會對此感興趣，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，它將縮短設備原型的制造時間。這項技術僅在密蘇里大學可用，有望改變產(chǎn)品的制造和生產(chǎn)方式?！?/div>