密苏里大学研发的新型多材料激光3D打印机可一站式制造复杂设备

一种创新的 3D 打印方法简化了多材料产品的制造过程。密苏里大学的研究人员开发出一种方法，只需一台机器就能用多种材料（包括塑料、金属和半导体）制造出复杂的设备。该研究最近发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，概述了一种新型3D打印和激光工艺，用于制造多材料、多层传感器、电路板，甚至带有电子元件的纺织品。

密苏里大学的研究人员开发出一种新型3D打印方法，可在单一流程中制造复杂的多材料设备，从而简化制造流程并提高环境的可持续性。图片来源：Sam O'Keefe

它被称为自由形态多材料组装工艺，有望彻底改变新产品的制造工艺。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）的东西。对于其他研究人员来说，这可能意味着拥有一个自然外观的物体，例如可以测量海水流动的岩石或贝壳。对于公众来说，其应用可能包括监测血压和其他生命体征的可穿戴设备。

其他技术在材料的多功能性以及如何精确地将较小的部件放置在较大的3D结构中方面存在不足。团队的方法是利用特殊技术来解决这些问题。团队成员制造了一台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，第三个喷嘴添加额外的功能材料，以增强产品的功能。它首先用普通的 3D 打印丝（如聚碳酸酯，一种透明的热塑性塑料）制作基本结构。然后，改用激光将某些部分转化为一种名为激光诱导石墨烯的特殊材料，并将其准确地放置在需要的地方。最后，再添加更多材料，以增强最终产品的功能。

这项工作得到了美国国家科学基金会（NSF）先进制造计划的资助，NSFI-CorpsTM计划为探索商业化提供资金。

"I-Corps 计划正在帮助我们确定市场利益和需求，"Lin 说。"目前，我们认为其他研究人员也会对它感兴趣，但我们相信它最终会让企业受益。它将缩短设备原型的制造时间，使企业能够在内部制造原型。这项仅在密苏里大学拥有的技术，为改变产品制造和生产方式带来了巨大的希望。"

"这是首次使用这种工艺，它开启了新的可能性，"该研究的第一作者、密苏里大学机械工程专业博士生 Bujingda Zheng 说。"我对这种设计感到非常兴奋。我一直想做一些前人没有做过的事情，而我在 Mizzou 就能做到。"

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系副教授 Jian"Javen"Lin 说："这为全新的市场提供了可能。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（如印刷电路板）是一个涉及多个步骤和多种材料的繁琐过程。这些工艺成本高、耗时长，而且会产生对环境有害的废弃物。这种新技术不仅对地球更有益，其灵感还来自大自然中的系统。

"自然界的一切都由结构材料和功能材料组成，"Zheng 说。"例如，电鳗的骨骼和肌肉使它们能够移动。它们还有专门的细胞，可以放出高达 500 伏特的电压来击倒捕食对象。这些生物学观察启发了研究人员开发新的方法来制造具有多功能应用的3D结构，但其他新兴方法存在局限性。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41467-024-48919-5