密苏里大学的研究人员制造出了一种机器，它将传统三维打印的元素与激光技术相结合，从而开发出了多材料、多功能的产品。
联系人：Janese HeavinJanese Heavin, heavinj@missouri.edu
照片：Sam O’Keefe
密苏里大学的研究人员开发出了一种用多种材料（包括塑料、金属和半导体）制造复杂设备的方法，而且只需一台机器。
这项研究最近发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上，概述了一种新型 3D 打印和激光工艺，用于制造多材料、多层传感器、电路板，甚至带有电子元件的纺织品。
它被称为自由形态多材料组装工艺，有望彻底改变新产品的制造工艺。
通过打印嵌入结构中的传感器，该机器可以制造出能够感知环境条件（包括温度和压力）的东西。对于其他研究人员来说，这可能意味着拥有一个自然外观的物体，如岩石或贝壳，可以测量海水的流动。对于公众来说，其应用可能包括监测血压和其他生命体征的可穿戴设备。
博士生Bujingda Zheng使用三维打印和激光工艺制造多材料、多层传感器、电路板和带有电子元件的纺织品。
“这是首次使用这种工艺，它开启了新的可能性，”该研究的第一作者、密苏里大学机械工程专业博士生 Bujingda Zheng 说。”我对这个设计感到非常兴奋。我一直想做一些前人没有做过的事情，而我在 Mizzou 就能做到。
其中一个主要好处是，创新者可以专注于设计新产品，而不用担心如何制作原型。
“这为全新的市场提供了可能性，”Mizzou 的机械与航空航天工程副教授 Jian “Javen” Lin 说。”它将对可穿戴传感器、可定制机器人、医疗设备等产生广泛影响。”
革命性技术
目前，制造多层结构（如印刷电路板）是一个涉及多个步骤和多种材料的繁琐过程。这些工艺成本高、耗时长，而且会产生对环境有害的废弃物。
新技术不仅对地球更有益，其灵感还来自大自然中的系统。
“自然界中的一切都由结构材料和功能材料组成，”Zheng 说。”例如，电鳗的骨骼和肌肉使它们能够移动。它们还有专门的细胞，可以释放高达 500 伏特的电压，以威慑捕食者。这些生物学观察启发了研究人员开发新的方法来制造具有多功能应用的三维结构，但其他新兴方法存在局限性。
一个在塑料材料内部打印电极的例子。
具体来说，其他技术在材料的多功能性以及如何精确地将较小的部件放置在较大的三维结构中方面存在不足。
Mizzou团队的方法利用特殊技术解决了这些问题。团队成员制造了一台有三个不同喷嘴的机器：一个喷嘴添加类似墨水的材料，另一个喷嘴使用激光雕刻形状和材料，第三个喷嘴添加额外的功能材料，以增强产品的功能。它首先用普通的 3D 打印丝（如聚碳酸酯，一种透明的热塑性塑料）制作基本结构。然后，改用激光将某些部分转化为一种名为激光诱导石墨烯的特殊材料，并将其准确地放置在需要的地方。最后，再添加更多材料，以增强最终产品的功能。
这项工作得到了美国国家科学基金会（NSF）先进制造计划的资助，NSF I-CorpsTM计划正在为探索商业化提供资金。
“I-Corps计划正在帮助我们确定市场利益和需求，”Lin说。”目前，我们认为其他研究人员也会对它感兴趣，但我们相信它最终会让企业受益。它将缩短设备原型的制造时间，让企业能够在内部制作原型。这项只有米苏才有的技术，为改变产品制造和生产方式带来了巨大的希望。
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