液態金屬懸浮3D列印來了！

什麼是液態金屬懸浮3D列印？

二十世紀80年代，使用打孔紙、運行時發生嘈雜聲響的點矩陣印表機是主流設備，而短短三十年後的今天，竟然會讓位給「無所不能」的 3D 印表機。從武器裝備到人體器官，從汽車零件到高樓大廈，現在的 3D 印表機可以製造出的東西超乎想像，各類高精尖領域都在研究 3D 列印技術的應用， 3D 列印技術也在不斷地創新發展。

近期，中科院理化所低溫生物與醫學實驗室首次提出「液態金屬懸浮 3D 列印」的概念和方法，可在室溫下快速製造具有任意複雜形狀和結構的三維柔性金屬可變形體並用於組裝立體可拉伸電子器件。

液態金屬懸浮 3D 列印技術，是以計算機三維設計模型為藍本，以鎵銦液態金屬合金等材料為列印墨水，採用可在流體與固體狀態間自由轉換的自恢復水凝膠作為支撐材料，通過軟體分層離散和數控成型系統，使列印噴頭可以在凝膠支撐環境中按照事先設定好的成形路徑自由往複運動，並連續擠出室溫液態金屬，藉助凝膠材料用來支撐並固定擠出液態金屬的形狀，通過逐層堆積成形具有複雜形狀的宏觀三維結構。

液態金屬懸浮 3D 列印原理示意

列印過程中，凝膠材料受到噴頭的擠壓而發生局部液化，這使得噴頭可以輕易插入凝膠內部並在其內部自如運動；當噴頭經過後，發生液化的凝膠會迅速固化並恢復到穩定形態。室溫液態金屬通過列印噴頭被連續擠出。較高的表面張力使得擠出的液態金屬以球狀液滴的形態懸掛在噴頭頂端，隨著噴頭與凝膠之間的相對運動，擠出的金屬液滴發生頸縮並最終與噴頭斷開，被支撐凝膠包裹、固定，在列印噴頭經過的路徑上留下一系列獨立的液態金屬微球。在凝膠支撐環境中通過室溫液態金屬微球的逐層堆積，最終成形多維度宏觀三維結構。

液態金屬懸浮3D列印的技術優勢在哪裡？

液態金屬懸浮 3D 列印技術突破了傳統剛體結構成形模式與 3D 列印範疇，優勢在於：可成形任意複雜形狀三維結構；集列印封裝於一體；室溫製造金屬構件；可實現立體柔性電路列印；成形周期短；零技能製造。此項研究在不定形柔性電子器件、智能系統快速製造乃至可變形 4D 列印等方面具有重要價值。

我們可以列印些什麼？

懸浮 3D 列印技術可以將任何室溫液體材料列印成形具有任意複雜三維結構的柔性可變形立體形狀，且實現的是功能電子器件製造。

基於液態金屬懸浮 3D 列印原理製成的圓明園十二生肖獸首

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液態金屬3D懸浮列印過程展示（圓明園十二生肖獸首）

基於液態金屬懸浮 3D 列印原理製成的心形立體發光電路

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液態金屬3D懸浮列印過程展示（心形立體發光電路）

未來，可以將液態金屬懸浮 3D 列印工藝應用於液滴製備、柔性立體電路實現、電子邏輯單元構築、軟體機器人組裝、材料封裝以及生物醫學等諸多領域。

作者：於永澤

來源：中國科學院理化技術研究所