創(chuàng)新的3D 打印方法簡(jiǎn)化了多材料產(chǎn)品的制造過(guò)程。密蘇里大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種方法，只需一臺(tái)機(jī)器即可用多種材料（包括塑料、金屬和半導(dǎo)體）制造復(fù)雜的設(shè)備。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然-通訊》（《自然通訊》）上，概述了一種新的3D 打印和激光工藝，用于制造多材料、多層傳感器、電路板甚至帶有電子元件的紡織品。

密蘇里大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的3D 打印方法，可以在單一流程中創(chuàng)建復(fù)雜的多材料設(shè)備，從而簡(jiǎn)化制造并提高環(huán)境可持續(xù)性。照片來(lái)源：薩姆·奧基夫

它被稱為自由形式的多材料組裝工藝，有望徹底改變新產(chǎn)品的制造方式。通過(guò)打印嵌入結(jié)構(gòu)中的傳感器，機(jī)器可以創(chuàng)造出能夠感知環(huán)境條件（包括溫度和壓力）的東西。對(duì)于其他研究人員來(lái)說(shuō)，這可能意味著擁有一個(gè)看起來(lái)自然的物體，例如巖石或貝殼，可以測(cè)量海水流量。對(duì)于公眾來(lái)說(shuō)，應(yīng)用程序可能包括監(jiān)測(cè)血壓和其他生命體征的可穿戴設(shè)備。

其他技術(shù)在材料的多功能性以及如何在較大的3D 結(jié)構(gòu)中精確放置較小的部件方面存在不足。該團(tuán)隊(duì)的方法是使用特殊技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)成員建造了一臺(tái)具有三種不同噴嘴的機(jī)器：一個(gè)噴嘴添加類似墨水的材料，另一個(gè)噴嘴使用激光雕刻形狀和材料，第三個(gè)噴嘴添加額外的功能材料以增強(qiáng)產(chǎn)品的功能。首先用普通的3D 打印線材（例如聚碳酸酯，一種透明的熱塑性塑料）制作基本結(jié)構(gòu)。然后，使用激光將某些部件轉(zhuǎn)換成一種稱為激光誘導(dǎo)石墨烯的特殊材料，并將其準(zhǔn)確放置在需要的位置。最后，添加更多材料以增強(qiáng)最終產(chǎn)品的功能。

這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF) 先進(jìn)制造計(jì)劃和NSFI-CorpsTM 計(jì)劃的資助，該計(jì)劃為勘探的商業(yè)化提供資金。

“I-Corps 計(jì)劃正在幫助我們確定市場(chǎng)興趣和需求，”林說(shuō)。目前，我們認(rèn)為其他研究人員會(huì)對(duì)它感興趣，但我們相信它最終將使企業(yè)受益。它將縮短設(shè)備原型的制造時(shí)間，并使公司能夠在內(nèi)部制造原型。這項(xiàng)技術(shù)只有密蘇里大學(xué)才有，有望改變產(chǎn)品的制造和生產(chǎn)方式。 \'

該研究的主要作者、密蘇里大學(xué)機(jī)械工程博士生Bujingda Cheng 說(shuō)：“這是第一次使用這一過(guò)程，它開(kāi)辟了新的可能性?！?“我對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)感到非常興奮。我一直想做一些以前從未做過(guò)的事情，而我在密蘇里大學(xué)做到了。 \'

主要好處之一是創(chuàng)新者可以專注于設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，而不用擔(dān)心如何制作原型。

密蘇里大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系副教授Jian'Javen'Lin 表示：“這開(kāi)辟了全新市場(chǎng)的可能性。”它將對(duì)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，制造印刷電路板等多層結(jié)構(gòu)是一個(gè)繁瑣的過(guò)程，涉及多個(gè)步驟和多種材料。這些過(guò)程成本高昂、耗時(shí)，并且產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的廢物。這項(xiàng)新技術(shù)不僅對(duì)地球更好，而且還受到自然界中發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)的啟發(fā)。

“自然界中的一切都是由結(jié)構(gòu)和功能材料組成的，”鄭說(shuō)。例如，電鰻有骨骼和肌肉，可以讓它們移動(dòng)。它們還有專門的細(xì)胞，可以發(fā)出高達(dá)500 伏的電壓來(lái)?yè)舻公C物。這些生物學(xué)觀察結(jié)果啟發(fā)研究人員開(kāi)發(fā)新方法來(lái)制造具有多種應(yīng)用的3D 結(jié)構(gòu)，但其他新興方法也存在局限性。 \'

編譯自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41467-024-48919-5