哈佛大学新激光3D打印机通过激光纳米粒在空中打印金属结构
2016-5-20 来源： 作者：
国外国防科技文献资料快报
[据3Ders网站2016年5月17日报道] 所有未来学家都认为：未来的电子消费产品必将是灵活的，通过穿戴和配备传感器和天线来完成一系列（生物医学）功能。这些听起来不错，但可惜的是今天的生产技术只适用于平板、体积大、刚性设备的小设备。但是，一个新的哈佛3D打印创新可以改变这些。一个哈佛教授珍妮佛刘易斯带领的团队已经开发出一种潜在的范式转移激光直接墨水书写技术，在空中3D打印微观导电自由金属结构。这对于未来的可穿戴式和可定制的电子产品建筑复杂电子是十分完美的。
这个迷人的突破是由一队来自哈佛生物工程和约翰·保尔森工程与应用科学学院的研究人员实现的。该项目由生物工程教授珍妮佛刘易斯主导，也包括研究人员马克·斯盖勒-史葛和苏曼·甘瑟科林。他们的革命性的3D打印解决方案已被概述在一篇发表在美国国家科学院学报上的题为“激光辅助直接墨水书写的平面和三维金属结构”的论文上。
正如他们在论文中所解释的，3D打印用于创建小型的金属结构，消费电子行业的需求是一个完美的平台。唯一的问题是，复杂的几何形状受到支持结构和印刷速度的严重限制。因此他们适应现有的直接墨水书写（DIW）3D打印技术来创建一个基于激光的解决方案，在高速度3D打印的同时，在空中退火打印的金属。这不仅提高了打印精度，而且创建了自由形式的“在飞行”。为了测试这个激光直接墨水书写3D打印技术，他们已经建立了几个自由无辅助支撑材料的微观结构。
据路易斯教授透漏，这是一个重大的突破。“看到我们实验室最新进展，我真的很兴奋，这可以使3D打印和退火灵活的金属电极和空中的复杂的架构。”她说。最重要的是，相比其他金属三维打印解决方案，它提供了几个关键的优势。首先，构图和退火是单一的步骤，这使该技术具有生产更复杂的结构的能力。此外，由于较高的退火速度，使得用户可以依赖于低成本的塑料基板使成本下降。最后，图案化结构是优良的导体，可以与散装银的性质相媲美。
最后一个功能依赖于一个由银纳米粒子组成的油墨。该油墨是使用一个精确编程的激光退火，驱动凝固与精确的能量。该喷嘴可以沿x轴、y轴和z轴移动，并与旋转的允许自由形式的曲率打印阶段相结。打印过程受到一定限制，即曲线的导线必须始终与被图案化的激光喷嘴轴线方向平行。但这几乎限制了整个技术。半球形的形状，螺旋形图案和更复杂的几何形状是很容易实现的，即使是装饰的蝴蝶制成的窄于头发宽度的电线也是可能的。大量的银进一步将优良的导电性嵌入到这些微小的造物中，为无数的电子设备铺平了道路。
悬空退火过程由808 nm红外激光激活，其重点是100µm点相邻的玻璃喷嘴。浓缩的银纳米粒子油墨沉积在中间空气中，并通过激光迅速加热和退火形成机械性能坚固的导电电线。这些都是可以实现的，因为研究人员在他们的论文中提到，任何直径从1µm到20µm的材料，都只取决于可变喷嘴直径、挤出压力和打印速度。
这使得该技术非常灵活，只有通过银线电阻率也完全可编程的的事实才能进一步证实。研究者们认为，在低成本的塑料基材上，如聚酯（完美的电子和光伏应用），这种技术可以从根本上改变电子产品的制造方式。“在定制的电子产品，微电子机械，和生物医学设备方面，打印高清晰度，功能性金属电极和复杂结构的能力可能会开辟新的途径。”他们写道。
该研究的第一作者博士后研究员马克•斯盖勒·史葛认为，优化喷嘴激光分离距离是他们工作中最具挑战性的部分。“如果激光在打印过程中太接近喷嘴，热量向上游传导，固化油墨会堵塞喷嘴，”斯盖勒·史葛如是说。“为了解决这个问题，我们设计了一个传热模型，让温度沿一个给定的银线图案分布，使我们能够调节喷嘴和激光之间的打印速度和距离，以更好地控制激光空中退火过程。”
怀斯研究所所长海洋生物工程教授唐纳德棱波认为，这种新技术为广泛应用铺平了道路。“这一先进的提高3D打印功能的激光技术，不仅激发了新的产品，而且它使固体自由形式制造的前沿发展到了到一个令人兴奋的新境界，这也再次表明，以前所认为的设计限制都可以通过创新来克服。”唐纳德如是说。这是我们一直在等待的突破性金属打印技术吗？想了解激光直接墨水书写3D打印更多的技术信息，请在这里查看全文。（工业和信息化部电子科学技术情报研究所）
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