工程师们为3d打印设备开发了多材料纤维“墨水”

麻省理工学院的研究人员开发了一种新方法,使用标准的3-D打印机生产已经嵌入电子设备的功能性设备。这种装置由纤维组成,纤维含有多种相互连接的材料,可以发光、感知周围环境、储存能量或执行其他动作。

麻省理工学院的博士生Gabriel Loke、教授John Joannopoulos和Yoel Fink以及麻省理工学院和其他地方的其他四位教授在《自然通讯》杂志上发表了一篇论文,描述了这种新的3d打印方法。

该系统利用传统的3d打印机,配备了一种特殊的喷嘴和一种新的灯丝,以取代通常的单材料聚合物灯丝。通常,聚合物灯丝在从打印机喷嘴挤出前会完全熔化。研究人员设计的新灯丝具有复杂的内部结构,由不同的材料以精确的结构排列而成,外部被聚合物包覆。

在新的打印机中,喷嘴在较低的温度下工作,将灯丝穿过速度更快的传统打印机,因此只有外层部分熔融。内部保持凉爽和坚实,其嵌入式电子功能不受影响。这样,在打印过程中,表面被熔化到足以使其牢固地粘在相邻的细丝上,从而产生一个坚固的三维结构。

灯丝的内部组件包括用作导体的金属丝、可用于控制有源功能的半导体以及防止导线相互接触的聚合物绝缘体。作为一个演示,该团队为一架模型飞机打印了一个机翼,使用了同时包含发光和光探测电子元件的灯丝。这些成分可能揭示任何可能形成的微观裂缝的形成。

虽然用于模型机翼的灯丝包含八种不同的材料,洛克说,原则上它们可以包含更多的材料。在这项工作之前,他说,“一台能够在单一平台上沉积金属、半导体和聚合物的打印机还不存在,因为打印这些材料需要不同的硬件和技术。”

洛克说,这种方法比目前任何一种制造3d设备的方法都要快三倍,而且与所有3d打印机一样,它在可生产的形式方面比典型的制造方法具有更大的灵活性。他说:“这种方法是3d打印的独特之处,它可以构造任何自由形状的设备,这是迄今为止任何其他方法都无法实现的。”

这种方法使用的是热拉伸纤维,其中包含多种不同的材料嵌入其中,芬克和他的合作者已经完善了这一过程20年。他们创造了一组纤维,其中含有电子元件,使纤维能够执行各种功能。例如,在通信应用程序中,闪光灯可以传输数据,然后由其他包含光传感器的光纤接收数据。这种方法首次生产出具有这些功能的纤维,以及由纤维织成的织物。

现在,这个新工艺使整个纤维家族成为生产功能性三维设备的原材料,这些设备可以感知、交流或存储能量,以及其他动作。

为了制造纤维本身,不同的材料首先组装成一个更大的版本,称为预成型,然后在熔炉中加热和拉伸,产生一个非常窄的纤维,其中包含所有这些材料,它们在相同的相对位置,但尺寸大大减小。

该方法可以进一步开发,以生产各种不同类型的设备,特别是对于那些需要精确定制每个设备的应用程序。芬克是材料科学、电子工程和计算机科学教授,也是非营利组织“美国先进功能织物”(Advanced Functional fabric of America)的首席执行官。

例如,将来有一天,假肢可能会使用这种方法打印出来,不仅匹配患者肢体的精确尺寸和轮廓,而且所有的电子设备都可以对植入的肢体进行监控。

多年来,该集团开发了一系列广泛的纤维,包含不同的材料和功能。洛克说,几乎所有这些都可以用于新的3d打印技术,使打印具有多种不同材料和功能组合的物体成为可能。该设备使用了一种标准的3-D打印机,被称为熔融沉积建模(FDM)打印机,这种打印机已经在许多实验室、办公室甚至家庭中使用。

未来可能的一个应用是打印用于生物医学植入的材料,该材料将为新细胞的生长提供支架,以取代受损的器官,并在其中包含传感器,以监测生长的进展。

这种新方法也可以用于设备原型制作——这已经是3d打印的主要应用程序,但在这种情况下,原型将具有实际功能,而不是静态模型。

研究团队包括麻省理工学院的研究生罗杰·袁;麻省理工学院(MIT)前研究生迈克尔•赖因(Michael Rein)目前在AFFOA工作;博士后Khudiyev和纽约石溪大学的本科生Yash Jain。这项工作得到了美国国家科学基金会、美国陆军研究实验室和美国陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所的部分支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/fiber-3-d-print-electronics-0912

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