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，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(yùn)動的巖石或貝殼。對于公眾來說，應(yīng)用可能包括監(jiān)測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(shè)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(xué)可以做到這一點。”

△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)。

這項技術(shù)其中一個主要好處是創(chuàng)新者可以專注于設(shè)計新產(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：“這為全新的市場打開了可能性。它將對可穿戴傳感器、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(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。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，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)隊的方法使用特殊技術(shù)來解決這些問題。團(tuán)隊成員制造了一臺擁有三個不同噴嘴的機(jī)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(qiáng)產(chǎn)品的功能。

△FMAP平臺示意圖和使用 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。

這項工作由美國國家科學(xué)基金會 (NSF) 先進(jìn)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(rèn)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(shè)備原型的制造時間。這項技術(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�！�