韓國研究人員使用液態(tài)金屬進行3D打印
時間：2019-07-05 15:25 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
在《高分辨率，三維結構的液態(tài)金屬的可重構打印》一文中，作者們探索了金屬三維打印領域之外的新技術。通過液態(tài)金屬3D打印，作者們可以創(chuàng)建“可伸縮”的3D集成，形成“多樣化的3D結構”。作為本研究的一個例子，他們創(chuàng)建了一個可重構天線。
圖1：高分辨率打印液態(tài)金屬。（A）打印系統(tǒng)的示意圖。（B）2D和3D高分辨率EGaIn圖案的掃描電鏡圖像。比例尺，100毫米。插圖：放大的3D結構掃描電鏡圖像。比例尺，100毫米。（C）打印EGaIn線的AFM圖像和橫截面輪廓。比例尺，2毫米。（D）1.9毫米寬的EGaIn圖案的掃描電鏡圖像。比例尺，10毫米。（E）在PET膜和環(huán)氧樹脂（SU-8）上EGaIn的3D圖案的描電鏡圖像。比例尺，10毫米。（F）（B）中打印的高分辨率EGaIn圖案的照片。比例尺，1厘米。（G）EGaIn的互連圖案的照片。插圖：頂視圖照片。比例尺，5毫米。（H）根據打印速度打印的EGaIn線的光學顯微照片。比例尺，40毫米。（I）線寬與打印速度的關系圖。（J）線寬與噴嘴內徑的關系圖。（I）和（J）中的誤差條表示SD。
設備中的畸形是這里關注的焦點，集中在“自由電子”中的應用，如：
•可拉伸電子產品
•可穿戴電子產品
•軟執(zhí)行器
•機器人
以前，在為這些設備尋找合適的材料方面存在著挑戰(zhàn)，這些設備需要可移動部件，這些部件也適合于消費者，或者作為功能對象易于操作。作者指出，脆性通常是一個問題，雖然導電材料已開發(fā)，如波紋金屬、金屬網絡和各種復合材料。雖然有希望，但這種方法并不總是可擴展到3D打印，并且分辨率可能是個問題。“雖然使用金屬納米顆粒（例如Ag或Cu）墨水的基于長絲的直接墨水書寫方法已顯示出高分辨率打印的一些可行性，但它們需要額外的熱退火或干燥過程以形成導電通路，這會導致軟化損壞，組織樣基質。此外，這些打印和熱退火的金屬圖案相對剛性和堅硬。因此，重復的器件變形會導致這些金屬電極開裂或失效。”
研究人員討論了液態(tài)金屬，如共晶鎵銦合金（EGaIn）和鎵銦錫合金（Galinstan），這兩種材料都具有低毒性和極低的揮發(fā)性。與固體金屬相比，它們也表現出優(yōu)異的導電性。雖然微流體或光刻可用于圖案化液態(tài)金屬，但它們的結構僅限于2D領域。在環(huán)境條件下使用精細噴嘴打印液態(tài)金屬，作者能夠創(chuàng)建高分辨率結構。使用窄金屬絲允許獨立結構由液態(tài)金屬制成;實際上，它們甚至可以被噴嘴抬起并移動。
圖2：將液態(tài)金屬重新配置為三維結構。（A）每個重新配置步驟的示意圖。（B）重新配置期間兩個粘附力的示意圖。（C）從基板上剝離（左）和切斷（右）Egain的照片。比例尺，100毫米。（D）管線狀態(tài)與噴嘴提升速度的關系圖。（E）重新配置的光學顯微照片。打印的水平線（左）被提起并重新配置（右）。比例尺，200毫米。（F）重新配置的方形線圈的掃描電鏡圖像。方形線圈（左）內的內線端被提升并重新配置（右）。比例尺，200毫米。（G）Egain三維橋梁的掃描電鏡圖像。比例尺，500毫米。插圖：三維橋梁的放大掃描電鏡圖像。比例尺，200毫米。（H）EGaIn中施加的偏差和響應電流密度的曲線圖。
使用安裝在注射器上的噴嘴和放置在五軸平臺上的基板，將高分辨率天線3D打印作為研究樣品。該團隊還創(chuàng)建了獨立的電極結構，可以最大限度地減少互連，并且“旨在實現小型化設備的更高集成度。”“我們相信這種高分辨率3D重新配置方法提供了一種有前途的策略，作為一種可以與高度集成和可拉伸設備的傳統(tǒng)制造技術相結合的增材工藝，這表明在下一代電子設備中有很大的應用前景。”研究人員表示。
雖然許多工業(yè)用戶正在享受諸如能夠構建堅固而輕巧的復雜幾何形狀的優(yōu)勢，但正在探索金屬作為3D打印的最強介質，無論是制造多孔金屬生物材料、自動化金屬板生產，還是具有高碳化物含量的專利金屬。
圖3：直接打印和重新配置的液態(tài)金屬的電接觸。（A）直接打印（左）和重新配置（右）的示意圖。（B）總電阻對通道長度的依賴性。誤差線代表SD。（C）Ag焊盤和直接打印EGaIn之間的電流 - 電壓特性。（D）Ag焊盤和重新配置的EGaIn之間的電流 - 電壓特性。（E和F）直接打印7小時后，Ag墊上的EGaIn的掃描電鏡圖像。（G和H）重新配置7小時后EGaIn的掃描電鏡圖像。比例尺，200毫米。
設備中的畸形是這里關注的焦點，集中在“自由電子”中的應用，如：
•可拉伸電子產品
•可穿戴電子產品
•軟執(zhí)行器
•機器人
以前，在為這些設備尋找合適的材料方面存在著挑戰(zhàn)，這些設備需要可移動部件，這些部件也適合于消費者，或者作為功能對象易于操作。作者指出，脆性通常是一個問題，雖然導電材料已開發(fā)，如波紋金屬、金屬網絡和各種復合材料。雖然有希望，但這種方法并不總是可擴展到3D打印，并且分辨率可能是個問題。“雖然使用金屬納米顆粒（例如Ag或Cu）墨水的基于長絲的直接墨水書寫方法已顯示出高分辨率打印的一些可行性，但它們需要額外的熱退火或干燥過程以形成導電通路，這會導致軟化損壞，組織樣基質。此外，這些打印和熱退火的金屬圖案相對剛性和堅硬。因此，重復的器件變形會導致這些金屬電極開裂或失效。”
研究人員討論了液態(tài)金屬，如共晶鎵銦合金（EGaIn）和鎵銦錫合金（Galinstan），這兩種材料都具有低毒性和極低的揮發(fā)性。與固體金屬相比，它們也表現出優(yōu)異的導電性。雖然微流體或光刻可用于圖案化液態(tài)金屬，但它們的結構僅限于2D領域。在環(huán)境條件下使用精細噴嘴打印液態(tài)金屬，作者能夠創(chuàng)建高分辨率結構。使用窄金屬絲允許獨立結構由液態(tài)金屬制成;實際上，它們甚至可以被噴嘴抬起并移動。
圖2：將液態(tài)金屬重新配置為三維結構。（A）每個重新配置步驟的示意圖。（B）重新配置期間兩個粘附力的示意圖。（C）從基板上剝離（左）和切斷（右）Egain的照片。比例尺，100毫米。（D）管線狀態(tài)與噴嘴提升速度的關系圖。（E）重新配置的光學顯微照片。打印的水平線（左）被提起并重新配置（右）。比例尺，200毫米。（F）重新配置的方形線圈的掃描電鏡圖像。方形線圈（左）內的內線端被提升并重新配置（右）。比例尺，200毫米。（G）Egain三維橋梁的掃描電鏡圖像。比例尺，500毫米。插圖：三維橋梁的放大掃描電鏡圖像。比例尺，200毫米。（H）EGaIn中施加的偏差和響應電流密度的曲線圖。
使用安裝在注射器上的噴嘴和放置在五軸平臺上的基板，將高分辨率天線3D打印作為研究樣品。該團隊還創(chuàng)建了獨立的電極結構，可以最大限度地減少互連，并且“旨在實現小型化設備的更高集成度。”“我們相信這種高分辨率3D重新配置方法提供了一種有前途的策略，作為一種可以與高度集成和可拉伸設備的傳統(tǒng)制造技術相結合的增材工藝，這表明在下一代電子設備中有很大的應用前景。”研究人員表示。
雖然許多工業(yè)用戶正在享受諸如能夠構建堅固而輕巧的復雜幾何形狀的優(yōu)勢，但正在探索金屬作為3D打印的最強介質，無論是制造多孔金屬生物材料、自動化金屬板生產，還是具有高碳化物含量的專利金屬。
圖3：直接打印和重新配置的液態(tài)金屬的電接觸。（A）直接打印（左）和重新配置（右）的示意圖。（B）總電阻對通道長度的依賴性。誤差線代表SD。（C）Ag焊盤和直接打印EGaIn之間的電流 - 電壓特性。（D）Ag焊盤和重新配置的EGaIn之間的電流 - 電壓特性。（E和F）直接打印7小時后，Ag墊上的EGaIn的掃描電鏡圖像。（G和H）重新配置7小時后EGaIn的掃描電鏡圖像。比例尺，200毫米。
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