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理化所提出液态金属悬浮3D打印方法可制造立体柔性可拉伸电子器件

发表日期: 2017-11-20
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  近期,中科院理化所低温生物与医学实验室首次提出“液态金属悬浮3D打印”的概念和方法,可在室温下快速制造具有任意复杂形状和结构的三维柔性金属可变形体并用于组装立体可拉伸电子器件。相应研究以封面文章形式发表于Advanced Materials Technologies 

  在这篇题为“Suspension 3D Printing of Liquid Metal into Self-healing Hydrogel”Yu et al., pp. 1700173, 2017)的论文中,研究小组将性质介于固体与液体之间且具有自恢复特性的水凝胶引入作为透明支撑介质,创建并证实了液态金属悬浮3D打印成形方法(图1),由此克服了液态金属墨水表面张力高、粘度低易于流动、重力大等带来的技术挑战。在整个制造过程中,水凝胶可在屈服液化与快速凝固状态之间自由转换,对金属液滴的粘滞力极高,随着打印喷头与凝胶之间的相对运动,由喷头挤出的金属液滴会随即发生颈缩行为并与喷头分离,继而被支撑凝胶包裹、粘滞和固定。由此,通过金属微球沿规划路径的逐层堆积,可最终形成预期的三维结构(图2);打印精度可由针头尺寸、打印速度、凝胶环境等予以调控。凝胶和液态金属均为柔性物质,由此构成的立体电子器件可实现拉伸及变形。此项研究突破了传统刚体结构成形模式与3D打印范畴,在不定形柔性电子器件、智能系统快速制造乃至可变形4D打印等方面具有重要价值。 

  此外,在另一项发表于期刊Materials & Design上的题为“3D Printing for Functional Electronics by Injection and Package of Liquid Metals into Channels of Mechanical Structures” (Yu et al., 122: 80-89, 2017) 的研究中,作者们建立了一种制造三维柔性电子结构的混合加工方法:先采用3D打印工艺制备出内含中空微流道的柔性基体,再向流道中充注液态金属,由此构建柔性电子器件(图3)。系列试验揭示出关键工艺参数对器件成形质量的影响规律。此项工作实现了功能电子器件的直接打印与封装,有助于柔性电子的普及应用。 

  在该小组此前发表于Rapid Prototyping Journal上的一篇题为“Direct 3D Printing of Low Melting Point Alloy via Adhesion Mechanism (Yu et al., 23: 642-650, 2017) 的论文中,通过引入一种金属液滴黏附成型机制,作者们展示了利用桌面级3D打印机在室温下直接制造低熔点金属构件的方法(图4)。通过与浇铸零件的机械及电学性能进行对比,揭示出低熔点金属3D打印件在力学与导电行为方面的优势。此技术未来可拓展至基于多喷头的金属、非金属复合打印工艺,实现三维立体电路的一体化成形及封装。 

  上述有关工作的平台搭建及测试亦得到北京梦之墨科技有限公司的技术支持与协助。近期,双方基于前期积累,合作研发出全球首款商用液态金属混合3D打印设备(图5),实现了金属/非金属材质的一体化混合立体成型,让增材制造技术从结构制造向功能制造迈出了一大步,相应装备在3D电子器件、智能机器、射频通信、科研教学等领域有广泛应用价值。 

  以上系列新颖3D打印方法的建立与原创性硬件装备的研制工作,再次彰显了液态金属先进材料在快速制造柔性功能电子器件方面所蕴藏着的独特优势和普适价值,是对增材制造技术理念的重要革新与拓展。 

  有关研究得到中国科学院前沿局以及北京市科委项目资助。 

  论文与视频链接:

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

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

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

图1 《先进材料·技术》期刊封面故事及悬浮3D打印原理与成形过程

图2 基于液态金属悬浮3D打印原理制成的圆明园十二生肖兽首与立体电路

图3 结合流道3D打印与液态金属充注实现柔性电子器件的原理及应用情况

图4 低熔点金属黏附性直接3D打印原理、成形结构及其力电学性能

图5 全球首款液态金属多材料混合3D打印机设备

 

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