Nature子刊：塑料、金属和半导体多材料3D打印技术

2024年7月2日，南极熊获悉，来自密苏里大学的研究人员提出一种新的多材料制造方法，只需一台机器就能制造出由多种材料（包括塑料、金属和半导体）制成的复杂设备。

这项研究最近以题为“Programmed multimaterial assemblyby synergized 3D printing and freeform laser induction/通过协同 3D 打印和自由形状激光感应进行程序化多材料组装”的论文被发表在《自然通讯》杂志上，概述了一种新颖的 3D 打印和激光工艺，被称为自由形态多材料组装工艺（FMAP）。该工艺协同结合了自由形状激光诱导 (FLI)、熔丝制造 (FFF)和直接墨水书写 (DIW) 三种技术的优势，将结构材料和可激光加工的功能材料无缝组装成具有复杂几何形状和多功能性的 3D 工程物体，可用于制造带有电子元件的多材料、多层传感器、电路板甚至纺织品。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48919-5

通过打印嵌入结构中的传感器，该机器可以制造出能够感知环境条件（包括温度和压力）的物体。对于其他研究人员来说，这可能意味着拥有一个看起来很自然的物体，例如可以测量海水运动的岩石或贝壳。对于公众来说，应用可能包括监测血压和其他生命体征的可穿戴设备。

密苏里大学机械工程博士生、这项研究的主要作者Bujingda Zheng说道：“这是首次使用这种工艺，它开启了新的可能性。我对这个设计很兴奋。我一直想做一些以前没有人做过的事情，而我现在在密苏里大学可以做到这一点。”

△博士生Bujingda Zheng利用3D打印和激光工艺制造多材料、多层传感器、电路板和带有电子元件的纺织品。图片来源：Sam O'Keefe/密苏里大学。

这项技术其中一个主要好处是创新者可以专注于设计新产品，而不必担心如何制作原型。密苏里大学机械与航空航天工程副教授 Jian Javen Lin 表示：“这为全新的市场打开了可能性。它将对可穿戴传感器、可定制机器人、医疗设备等产生广泛影响。”

目前，制造多层结构（例如印刷电路板）可能是一个繁琐的过程，涉及多个步骤和材料。这些过程成本高昂、耗时长，并且会产生对环境有害的废物。

Zheng说：“自然界的一切都是由结构和功能材料组成的。例如，电鳗有骨骼和肌肉，使它们能够移动。它们还有特殊的细胞，可以释放高达 500 伏的电压来阻止捕食者。这些生物学观察启发了研究人员开发制造具有多功能应用的3D 结构的新方法，但其他新兴方法存在局限性。”

具体而言，当谈到材料的多功能性以及如何将较小的组件精确地放置在较大的 3D 结构内时，其他技术就显得不足了。

△在塑料材料内部印刷电极的示例。图片来源：Sam O’Keefe/密苏里大学。

该团队的方法使用特殊技术来解决这些问题。团队成员制造了一台拥有三个不同喷嘴的机器：一个喷嘴添加类似墨水的材料，另一个喷嘴使用激光雕刻形状和材料，第三个喷嘴添加其他功能材料以增强产品的功能。

△FMAP平台示意图和使用 FMAP 组装结构和功能材料制造 3D 设备的工作流程。

首先，使用常规 3D 打印线材（例如聚碳酸酯，一种透明热塑性塑料）制作基本结构。然后，切换到激光将一些部件转换成一种称为激光诱导石墨烯的特殊材料 - 将其准确地放置在需要的地方。最后，添加更多材料以增强最终产品的功能。

这项工作由美国国家科学基金会 (NSF) 先进制造计划资助，NSF I-CorpsTM 计划正在提供资金探索商业化。

Lin教授表示：“I-Corps 项目正在帮助我们确定市场兴趣和需求。目前，我们认为其他研究人员也会对此感兴趣，但我们相信它最终将使企业受益。通过允许公司内部制作原型，它将缩短设备原型的制造时间。这项技术仅在密苏里大学可用，有望改变产品的制造和生产方式。”

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