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哈佛大學新激（jī）光3D打印機通過激光納米粒在空中打印金屬結構

2016-5-20 來源：作者：

國外國防科技文獻（xiàn）資料快報

[據3Ders網站2016年5月17日報道] 所有未來學家都認為：未來的電子消費產品必將是靈活的（de），通過穿戴和配備傳感器和天線來完成（chéng）一係列（生物醫學）功能。這些聽起來不錯（cuò），但可惜（xī）的是今天的生產技術隻適用於平板、體積大、剛性設（shè）備（bèi）的小設備。但是，一個新的哈（hā）佛3D打印創新可以（yǐ）改變（biàn）這些。一個哈佛教授珍妮佛劉易斯帶領的團隊已經（jīng）開發（fā）出一種潛在的範式轉移激光直（zhí）接墨水書寫（xiě）技術，在空中3D打（dǎ）印微觀導（dǎo）電自（zì）由金屬結構。這對（duì）於未來的（de）可穿戴式和可定製的（de）電子產（chǎn）品建築複雜電子是十分完美的。

這個迷人的突破（pò）是由一（yī）隊（duì）來自哈佛生物工（gōng）程和約翰·保爾森工程與應用科學學院的研（yán）究人員實現的。該項目由生物工程教授珍（zhēn）妮佛（fó）劉易斯主導，也包括研究人員馬克·斯蓋勒-史葛和蘇（sū）曼（màn）·甘瑟科林。他們的革命性（xìng）的3D打印解決方案（àn）已被概述在一篇發表在美國國家科學院學報上的題為“激光輔助直接墨水書寫的平麵和三維金屬結構”的（de）論文上。

正如他們在論文中所解釋的，3D打印用於創建小（xiǎo）型的金（jīn）屬結構，消費電（diàn）子行業的需求是一個完美（měi）的平台。唯一的問（wèn）題是，複（fù）雜的幾何形狀受到支持結構和印刷速度的嚴重限製。因此（cǐ）他們適（shì）應現有的（de）直接墨水書寫（DIW）3D打印技術來創建一個基於激光的（de）解決方案，在高速度3D打（dǎ）印的同時，在空中退火打印的金屬。這不僅提高（gāo）了打印精度，而且創建了（le）自由形式的“在飛行”。為了測試這個激（jī）光直接墨水書（shū）寫3D打印技術，他們已經建（jiàn）立了幾個自由無輔助支撐（chēng）材（cái）料的（de）微觀結構。

據路易斯教授透漏（lòu），這（zhè）是一個重（chóng）大的突破（pò）。“看到我們實驗室（shì）最新（xīn）進展，我真的很興奮，這可以使3D打印和退火靈活的（de）金屬電極和空中的複雜的（de）架構（gòu）。”她說。最重要的是，相比其（qí）他金屬三（sān）維打印解決方案，它提供了幾個關鍵的優勢。首先，構圖和（hé）退火是單一的步驟，這使（shǐ）該技術具有（yǒu）生產更複雜的結構（gòu）的能力。此外，由於較高的退火速度，使得（dé）用戶可以依賴於低成本的塑料基板使成本下降（jiàng）。最後，圖案化結構是（shì）優良的導體，可以與散裝銀的性質相媲美。

最後一個功能依賴於一個由（yóu）銀納米粒子組成的油墨。該油墨是使用一個精確編程的激光退火，驅動（dòng）凝固與精確的能量。該噴嘴可以沿x軸、y軸和z軸移動，並與旋轉的允許自（zì）由形式的曲率（lǜ）打印階段（duàn）相結。打印過程受到一定限製（zhì），即曲線的導（dǎo）線必須始終與被圖案化的激光噴嘴軸（zhóu）線方向（xiàng）平行。但這幾乎限製了整個技術。半球形的形狀（zhuàng），螺旋形圖案和更複雜的幾何形狀是很容易實現的，即使是裝飾的蝴蝶製成的窄於頭發寬度的電線也是可能的（de）。大量的銀進一步將優良的導電性嵌入到這些微小的造物中，為無數的（de）電子設備鋪平了道路。

懸空退火過程由808 nm紅外激光激活（huó），其重點是100µm點相鄰的玻璃噴嘴。濃縮的銀納米粒子油墨（mò）沉積在中間空（kōng）氣中，並通過激光迅速加熱和（hé）退火形成機械性能堅固的導電電線。這些都是可以實現的（de），因為研究人（rén）員在他們的（de）論文中（zhōng）提到，任何直徑從（cóng）1µm到20µm的材料，都（dōu）隻取決於可變噴嘴直徑（jìng）、擠出壓力和（hé）打印速度。

這使（shǐ）得該技（jì）術非（fēi）常靈活，隻有（yǒu）通過銀線電阻率也完全可編程的的事（shì）實才能進一步證實。研究者（zhě）們認為，在（zài）低成本的塑料基材上，如聚（jù）酯（完美的電子和光伏應用（yòng）），這種技術可以（yǐ）從根本上改變電子（zǐ）產品（pǐn）的製造方（fāng）式。“在定製的電子產品，微電子機械，和生物醫學設備方麵，打印高清晰（xī）度，功能性金屬電極和複（fù）雜結構的能（néng）力可（kě）能會開辟新的途徑。”他們寫道。

該研究（jiū）的第一作者博士後研究（jiū）員馬克•斯蓋勒·史葛（gě）認為，優（yōu）化噴嘴激光分離距離是他們工作中最具挑戰性的部（bù）分。“如果激光在（zài）打印過程中太接近噴（pēn）嘴，熱量向上遊（yóu）傳導（dǎo），固化油墨會堵塞噴嘴（zuǐ），”斯蓋勒·史葛如是說。“為（wéi）了解決這個問題，我們設（shè）計了一個傳熱模型，讓溫（wēn）度沿一個給定的銀線圖案分布，使我們能夠調節噴嘴和（hé）激光之間（jiān）的打印速度和距離，以更好地控（kòng）製激光（guāng）空中退火過程。”

懷斯研究所所長海洋（yáng）生物工程教授（shòu）唐納德（dé）棱波認為，這種（zhǒng）新技術為廣泛應用鋪（pù）平了道路。“這一先進的（de）提高3D打印功能的激光技術，不僅激發了新的產品，而且它使固體自由形（xíng）式製造的前（qián）沿發展到（dào）了到一個令（lìng）人興奮的新境界，這也再（zài）次表（biǎo）明（míng），以前（qián）所認為的設計限製都可以通過（guò）創新來克服。”唐納德如（rú）是說。這是我們一直在等待的突破（pò）性金屬打印（yìn）技術嗎？想了解激光直接墨水書寫3D打印更多的技術信息，請在這裏查看全文。（工業和（hé）信（xìn）息化部電子（zǐ）科學技術情報研（yán）究所）

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