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多功能四合一3D打印机面世,我们离打印机器人、手机还有多远?

这个试验性设备是最早将多种3D打印技术集成在单一设备上的机器。

一台首次集成了多种打印技术的3D打印机样机为研究人员提供了一种新的可能:制作由不同材料构成的产品时只需一次打印成型。到目前为止,这台样机仅能用来制作一些基本的电子元件,但这项技术让材料科学家距离直接打印机器人或者智能手机等复杂仪器的目标更近了一步。

有朝一日,集成多种3D打印技术的设备或可以用来定制义肢。

来源:Jae C. Hong/AP/REX/Shutterstock

3月21日,这台打印机在路易斯安纳州新奥尔良举办的美国化学学会(American Chemical Society)会议上亮相。


“这是一项令人称道的技术突破,也是3D打印技术领域的一次飞跃。”麻省理工学院(MIT)的材料科学家Zhao Xuanhe评价道。他本人并未参与这项研究。


最常见的3D打印机是通过加热并平铺一段塑料线材,来从下往上搭建一个层叠的结构。大多数消费级打印机都采用这样的技术。近年来,也逐步出现了一些其他的3D打印技术,例如喷洒气凝胶涓流打印,用液态树脂打印后硬化处理形成有弹性的聚合物,逐层平铺油墨薄层后曝光硬化,甚至还有用掺杂了导电纳米颗粒的油墨打印导线和电路。


“每种打印技术都有其自身的局限,”Jerry Qi说,“于是我们把四种3D打印技术集成到了一个单一平台上。”Jerry Qi是来自亚特兰大佐治亚理工(Georgia Institute of Technology)的一名材料科学家,领导了这台多材料打印机的设计。


集成的功效

Jerry Qi还提到,尽管当前的3D打印机已经可以制作包含多种材料的电子元件,然而如果元件结构需要使用多种打印方法,每种方法仍需要更换不同的打印设备。但在不同3D打印设备间转移元件需要同时保证微米级别的精度,这往往是不现实的,而且如果元件同一层包含多种材料,这样做也十分低效。


他的团队的多材料打印机有多个打印头——生产材料的喷嘴,对应一个打印平台上的四种技术。每个都有单独的软件,固化材料的光,以及可移动平台和机械臂——用于拾取和放置组件。这允许多个打印头协同工作来构建包含多种材料的单层。 “这是一个非常聪明的解决方案。” Zhou说。


Jerry Qi和他的团队用这款打印机成功地把一个发光二极管嵌入到一个塑料外壳中,在这个过程中内部电路结构和塑料外壳实现了同步打印。他们还在一块橡胶材料的内部打印了一层导电油墨,使其可以在拉伸扭曲的条件下传导电流,展示了该技术在柔性电子领域的应用可能。

用新型3D打印机打印的一个轮子(左图)和一根柔性导电带。


来源:Craig Hamel and Conner Dunn

这台样机让业内的其他研究者跃跃欲试。“(在这之前)我们还在讨论,想象这种设备。”澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong)的材料工程师Geoff Spinks说。他还提到,这种可拉伸的电子器件可以应用在小型柔性机器人领域,因为它们能够提供现有工艺下的导线内嵌式器件不具备的柔性。


Jerry Qi介绍说这台打印机的制造主要由美国空军资助,大约耗资35万美元。他认为这台打印机的首批用户将会是航空公司,用来设计航空电子设备电路——它直接打印天线的能力能够加速航空电子设备的原型设计流程。他预计这台打印机的售价将在一百万美元左右。


Spinks说这只是多材料打印机的前哨战。他预计包含更多功能的设备将很快面市:“我觉得未来我们会(在同一设备上)有16种不同的打印头,甚至更多。”


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