哈佛大學新激光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，通過穿戴和配備傳感器和天線來完成一系列（生物醫學）功能。這些聽起來不錯，但可惜的是今天的生產技術只適用于平板、體積大、剛性設備的小設備。但是，一個新的哈佛3D打印創新可以改變這些。一個哈佛教授珍妮佛劉易斯帶領的團隊已經開發出一種潛在的范式轉移激光直接墨水書寫技術，在空中3D打印微觀導電自由金屬結構。這對于未來的可穿戴式和可定制的電子產品建筑復雜電子是十分完美的。
這個迷人的突破是由一隊來自哈佛生物工程和約翰·保爾森工程與應用科學學院的研究人員實現的。該項目由生物工程教授珍妮佛劉易斯主導，也包括研究人員馬克·斯蓋勒-史葛和蘇曼·甘瑟科林。他們的革命性的3D打印解決方案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面和三維金屬結構”的論文上。
正如他們在論文中所解釋的，3D打印用于創建小型的金屬結構，消費電子行業的需求是一個完美的平臺。唯一的問題是，復雜的幾何形狀受到支持結構和印刷速度的嚴重限制。因此他們適應現有的直接墨水書寫（DIW）3D打印技術來創建一個基于激光的解決方案，在高速度3D打印的同時，在空中退火打印的金屬。這不僅提高了打印精度，而且創建了自由形式的“在飛行”。為了測試這個激光直接墨水書寫3D打印技術，他們已經建立了幾個自由無輔助支撐材料的微觀結構。
據路易斯教授透漏，這是一個重大的突破。“看到我們實驗室最新進展，我真的很興奮，這可以使3D打印和退火靈活的金屬電極和空中的復雜的架構。”她說。最重要的是，相比其他金屬三維打印解決方案，它提供了幾個關鍵的優勢。首先，構圖和退火是單一的步驟，這使該技術具有生產更復雜的結構的能力。此外，由于較高的退火速度，使得用戶可以依賴于低成本的塑料基板使成本下降。最后，圖案化結構是優良的導體，可以與散裝銀的性質相媲美。
最后一個功能依賴于一個由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，驅動凝固與精確的能量。該噴嘴可以沿x軸、y軸和z軸移動，并與旋轉的允許自由形式的曲率打印階段相結。打印過程受到一定限制，即曲線的導線必須始終與被圖案化的激光噴嘴軸線方向平行。但這幾乎限制了整個技術。半球形的形狀，螺旋形圖案和更復雜的幾何形狀是很容易實現的，即使是裝飾的蝴蝶制成的窄于頭發寬度的電線也是可能的。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，為無數的電子設備鋪平了道路。
懸空退火過程由808 nm紅外激光激活，其重點是100µm點相鄰的玻璃噴嘴。濃縮的銀納米粒子油墨沉積在中間空氣中，并通過激光迅速加熱和退火形成機械性能堅固的導電電線。這些都是可以實現的，因為研究人員在他們的論文中提到，任何直徑從1µm到20µm的材料，都只取決于可變噴嘴直徑、擠出壓力和打印速度。
這使得該技術非常靈活，只有通過銀線電阻率也完全可編程的的事實才能進一步證實。研究者們認為，在低成本的塑料基材上，如聚酯（完美的電子和光伏應用），這種技術可以從根本上改變電子產品的制造方式。“在定制的電子產品，微電子機械，和生物醫學設備方面，打印高清晰度，功能性金屬電極和復雜結構的能力可能會開辟新的途徑。”他們寫道。
該研究的第一作者博士后研究員馬克•斯蓋勒·史葛認為，優化噴嘴激光分離距離是他們工作中最具挑戰性的部分。“如果激光在打印過程中太接近噴嘴，熱量向上游傳導，固化油墨會堵塞噴嘴，”斯蓋勒·史葛如是說。“為了解決這個問題，我們設計了一個傳熱模型，讓溫度沿一個給定的銀線圖案分布，使我們能夠調節噴嘴和激光之間的打印速度和距離，以更好地控制激光空中退火過程。”
懷斯研究所所長海洋生物工程教授唐納德棱波認為，這種新技術為廣泛應用鋪平了道路。“這一先進的提高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式制造的前沿發展到了到一個令人興奮的新境界，這也再次表明，以前所認為的設計限制都可以通過創新來克服。”唐納德如是說。這是我們一直在等待的突破性金屬打印技術嗎？想了解激光直接墨水書寫3D打印更多的技術信息，請在這里查看全文。（工業和信息化部電子科學技術情報研究所）
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