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  近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫生物與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室首次提出“液態(tài)金屬懸浮3D打印”的概念和方法，可在室溫下快速制造具有任意復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的三維柔性金屬可變形體，并用于組裝立體可拉伸電子器件。相關(guān)研究成果作為封面文章發(fā)表在Advanced Materials Technologies上。

  在題為Suspension 3D Printing of Liquid Metal into Self-healing Hydrogel的論文中，研究組將性質(zhì)介于固體與液體之間且具有自恢復(fù)特性的水凝膠引入作為透明支撐介質(zhì)，創(chuàng)建并證實(shí)了液態(tài)金屬懸浮3D打印成形方法（圖1），克服了液態(tài)金屬墨水表面張力高、粘度低易于流動(dòng)、重力大等帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)。在整個(gè)制造過(guò)程中，水凝膠可在屈服液化與快速凝固狀態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換，對(duì)金屬液滴的粘滯力極高，隨著打印噴頭與凝膠之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由噴頭擠出的金屬液滴會(huì)隨即發(fā)生頸縮行為并與噴頭分離，繼而被支撐凝膠包裹、粘滯和固定。通過(guò)金屬微球沿規(guī)劃路徑的逐層堆積，可最終形成預(yù)期的三維結(jié)構(gòu)（圖2）；打印精度可由針頭尺寸、打印速度、凝膠環(huán)境等予以調(diào)控。凝膠和液態(tài)金屬均為柔性物質(zhì)，由此構(gòu)成的立體電子器件可實(shí)現(xiàn)拉伸及變形。該項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)剛體結(jié)構(gòu)成形模式與3D打印范疇，在不定形柔性電子器件、智能系統(tǒng)快速制造乃至可變形4D打印等方面具有重要價(jià)值。

圖1.《先進(jìn)材料·技術(shù)》期刊封面故事及懸浮3D打印原理與成形過(guò)程

圖2.基于液態(tài)金屬懸浮3D打印原理制成的圓明園十二生肖獸首與立體電路

  研究團(tuán)隊(duì)在Materials & Design上發(fā)表的題為3D Printing for Functional Electronics by Injection and Package of Liquid Metals into Channels of Mechanical Structures的研究中，科研人員建立了制造三維柔性電子結(jié)構(gòu)的混合加工方法：先采用3D打印工藝制備出內(nèi)含中空微流道的柔性基體，再向流道中充注液態(tài)金屬，由此構(gòu)建柔性電子器件（圖3）。系列試驗(yàn)揭示出關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)器件成形質(zhì)量的影響規(guī)律。此項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了功能電子器件的直接打印與封裝，有助于柔性電子的普及應(yīng)用。

圖3.結(jié)合流道3D打印與液態(tài)金屬充注實(shí)現(xiàn)柔性電子器件的原理及應(yīng)用情況

  該小組此前發(fā)表在Rapid Prototyping Journal上的題為Direct 3D Printing of Low Melting Point Alloy via Adhesion Mechanism的論文中，通過(guò)引入金屬液滴黏附成型機(jī)制，展示了利用桌面級(jí)3D打印機(jī)在室溫下直接制造低熔點(diǎn)金屬構(gòu)件的方法（圖4）。通過(guò)與澆鑄零件的機(jī)械及電學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，揭示出低熔點(diǎn)金屬3D打印件在力學(xué)與導(dǎo)電行為方面的優(yōu)勢(shì)。此技術(shù)未來(lái)可拓展至基于多噴頭的金屬、非金屬?gòu)?fù)合打印工藝，實(shí)現(xiàn)三維立體電路的一體化成形及封裝。

圖4.低熔點(diǎn)金屬黏附性直接3D打印原理、成形結(jié)構(gòu)及其力電學(xué)性能

  上述有關(guān)工作的平臺(tái)搭建及測(cè)試得到北京夢(mèng)之墨科技有限公司的技術(shù)支持與協(xié)助。近期，雙方基于前期積累，合作研發(fā)出全球首款商用液態(tài)金屬混合3D打印設(shè)備（圖5），實(shí)現(xiàn)了金屬/非金屬材質(zhì)的一體化混合立體成型，讓增材制造技術(shù)從結(jié)構(gòu)制造向功能制造邁出了一大步，相應(yīng)裝備在3D電子器件、智能機(jī)器、射頻通信、科研教學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

圖5.全球首款液態(tài)金屬多材料混合3D打印機(jī)設(shè)備

  以上系列新穎3D打印方法的建立與原創(chuàng)性硬件裝備的研制工作，再次彰顯了液態(tài)金屬先進(jìn)材料在快速制造柔性功能電子器件方面所蘊(yùn)藏著的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和普適價(jià)值，是對(duì)增材制造技術(shù)理念的重要革新與拓展。研究工作得到中科院前沿科學(xué)與教育局以及北京市科委項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201700173/full

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127517302447

http://www.emeraldinsight.com/doi/abs/10.1108/RPJ-12-2015-0185