科學家提出液態金屬懸浮3D列印方法

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近日，中國科學院理化技術研究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。相關研究成果作為封面文章發表在 Advanced Materials Technologies上。

在題為Suspension 3D Printing of Liquid Metal into Self-healing Hydrogel的論文中，研究組將性質介於固體與液體之間且具有自恢復特性的水凝膠引入作為透明支撐介質，創建並證實了液態金屬懸浮3D列印成形方法（圖1），克服了液態金屬墨水表面張力高、粘度低易於流動、重力大等帶來的技術挑戰。在整個製造過程中，水凝膠可在屈服液化與快速凝固狀態之間自由轉換，對金屬液滴的粘滯力極高，隨著列印噴頭與凝膠之間的相對運動，由噴頭擠出的金屬液滴會隨即發生頸縮行為並與噴頭分離，繼而被支撐凝膠包裹、粘滯和固定。通過金屬微球沿規劃路徑的逐層堆積，可最終形成預期的三維結構（圖2）；列印精度可由針頭尺寸、列印速度、凝膠環境等予以調控。凝膠和液態金屬均為柔性物質，由此構成的立體電子器件可實現拉伸及變形。該項研究突破了傳統剛體結構成形模式與3D列印範疇，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。

研究團隊在Materials & Design上發表的題為3D Printing for Functional Electronics by Injection and Package of Liquid Metals into Channels of Mechanical Structures的研究中，科研人員建立了製造三維柔性電子結構的混合加工方法：先採用3D列印工藝製備出內含中空微流道的柔性基體，再向流道中充注液態金屬，由此構建柔性電子器件（圖3）。系列試驗揭示出關鍵工藝參數對器件成形質量的影響規律。此項工作實現了功能電子器件的直接列印與封裝，有助於柔性電子的普及應用。

該小組此前發表在Rapid Prototyping Journal上的題為Direct 3D Printing of Low Melting Point Alloy via Adhesion Mechanism的論文中，通過引入金屬液滴黏附成型機制，展示了利用桌面級3D印表機在室溫下直接製造低熔點金屬構件的方法（圖4）。通過與澆鑄零件的機械及電學性能進行對比，揭示出低熔點金屬3D列印件在力學與導電行為方面的優勢。此技術未來可拓展至基於多噴頭的金屬、非金屬複合列印工藝，實現三維立體電路的一體化成形及封裝。

上述有關工作的平台搭建及測試得到北京夢之墨科技有限公司的技術支持與協助。近期，雙方基於前期積累，合作研發出全球首款商用液態金屬混合3D列印設備（圖5），實現了金屬/非金屬材質的一體化混合立體成型，讓增材製造技術從結構製造向功能製造邁出了一大步，相應裝備在3D電子器件、智能機器、射頻通信、科研教學等領域有廣泛應用價值。

以上系列新穎3D列印方法的建立與原創性硬體裝備的研製工作，再次彰顯了液態金屬先進材料在快速製造柔性功能電子器件方面所蘊藏著的獨特優勢和普適價值，是對增材製造技術理念的重要革新與拓展。研究工作得到中科院前沿科學與教育局以及北京市科委項目的資助。