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將鎵銦合金材料“粘”在打印器件上，液態(tài)金屬或?qū)⒓ぐl(fā)3D打印領(lǐng)域新活力

2021-12-03

近日，夢之墨液態(tài)金屬材料技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在劉靜教授的帶領(lǐng)下發(fā)現(xiàn)，將具有較高黏附性的高分子涂層涂抹在3D打印器件上，可以將鎵銦合金材料“粘”在打印器件上。此外，對鎵銦合金進(jìn)行特殊處理，在降低其流動性的同時提高黏附性，可以使其穩(wěn)定維持在立體結(jié)構(gòu)表面。同時，附著在立體結(jié)構(gòu)表面的液態(tài)金屬涂層可以與周圍的液態(tài)金屬涂層形成“液橋”，從而實(shí)現(xiàn)金屬焊接的效果。這項(xiàng)研究成果相當(dāng)于為傳統(tǒng)的3D打印賦予了特定功能，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

增材制造即3D打印，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡?，因而?/span>航空航天、文物保護(hù)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域嶄露頭角。多功能電子器件或系統(tǒng)大多是三維立體結(jié)構(gòu)，其組成單元由各種金屬或非金屬電子材料構(gòu)筑而成。傳統(tǒng)的3D打印主要基于尼龍玻纖、耐用性尼龍一類的材料，由此打印出的物件一般并不具備電子功能。因此3D打印手段直接打印出立體終端電子產(chǎn)品，一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界無法解決的難題。

近年來，隨著液態(tài)金屬印刷電子學(xué)的發(fā)展，以低熔點(diǎn)金屬鎵為基礎(chǔ)的室溫液態(tài)金屬合金材料逐漸進(jìn)入人們視野，在柔性電子、智能機(jī)器等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。夢之墨技術(shù)團(tuán)隊(duì)長期從事液態(tài)金屬相關(guān)研究，在基于液態(tài)金屬功能性復(fù)合材料的裝備方面有豐厚的積累。通過對液態(tài)金屬功能材料進(jìn)行改造，并結(jié)合增材制造技術(shù)，夢之墨團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種基于液態(tài)金屬功能性復(fù)合材料的快速電路印刷技術(shù)，并利用此技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)的桌面電子電路打印機(jī)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

看到3D打印電子設(shè)備存在的局限性，劉靜教授帶領(lǐng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)隱約意識到，在立體電子制造領(lǐng)域，液態(tài)金屬有可能發(fā)揮其獨(dú)特的作用。

為實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)利用3D打印技術(shù)制作出一系列復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，并在這種立體結(jié)構(gòu)表面，覆蓋對液態(tài)金屬材料具有較高黏附性的高分子涂層，然后將其浸潤到液態(tài)金屬中，從而實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在立體結(jié)構(gòu)表面的附著。

△轉(zhuǎn)印上鎵銦合金的樣品

在實(shí)驗(yàn)室中擺放著十幾種不同材質(zhì)的器件，都是轉(zhuǎn)印上鎵銦合金的樣品。其中有塑料材質(zhì)的思想者雕像、木質(zhì)的小人、聚乙烯小球、金字塔模型、菜園里摘下的葫蘆甚至各種紡織品。利用這種現(xiàn)象，將相同尺寸的立體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行堆積組合，可以構(gòu)建出更復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)。而且，各單元之間的液態(tài)金屬涂層可形成穩(wěn)定的導(dǎo)電通路，實(shí)現(xiàn)可組裝的立體電路。比如將金字塔模型的電路接通，一排連接在鎵銦合金電路上的LED燈珠閃起了綠光。

高分子涂層+液態(tài)金屬
這種“高分子涂層+液態(tài)金屬”的結(jié)構(gòu)可通過適當(dāng)封裝，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。因?yàn)橥繉雍鼙。庋b后的鎵銦合金不僅不會泄漏和流淌，還能滿足一些柔性物品的特殊要求，在保持電子性能的同時改變形狀。如果電子設(shè)備需要一定強(qiáng)度，還可以采用不同熔點(diǎn)的液態(tài)金屬墨水，實(shí)現(xiàn)印刷后即固化。將液態(tài)金屬涂層覆蓋在柔性硅膠結(jié)構(gòu)表面，可利用液態(tài)金屬材料在不同溫度下的相變特性，實(shí)現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)可調(diào)控的力學(xué)性能。從安全性上看，此類材料在環(huán)境下很難蒸發(fā)。如果沒有大劑量皮膚接觸、吞咽、停留體內(nèi)等情況，使用起來是比較安全的。

液態(tài)金屬3D打印技術(shù)將機(jī)械制造和電子制造巧妙結(jié)合在一起，制造過程便捷、成本低廉，具有較高的個性化特點(diǎn)，因此有望在藝術(shù)設(shè)計(jì)、文化創(chuàng)意、消費(fèi)電子甚至大中小學(xué)電子工程教育普及方面得到廣泛應(yīng)用。除本身的電子工程學(xué)意義外，這項(xiàng)研究還為三維立體功能電子器件快速制造提供了一種重要且易于規(guī)模化普及的實(shí)用技術(shù)，該技術(shù)具有非常強(qiáng)的實(shí)用性，有望賦能3D打印行業(yè)，推動傳統(tǒng)3D打印的可持續(xù)健康發(fā)展，激發(fā)行業(yè)活力，促成其規(guī)?；瘧?yīng)用。

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