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创新的3D 打印方法简化了多材料产品的制造过程。密苏里大学的研究人员开发出一种方法，只需一台机器即可用多种材料（包括塑料、金属和半导体）制造复杂的设备。这项研究最近发表在《自然-通讯》（《自然通讯》）上，概述了一种新的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。

密苏里大学的研究人员开发了一种新的3D 打印方法，可以在单一流程中创建复杂的多材料设备，从而简化制造并提高环境可持续性。照片来源：萨姆·奥基夫

它被称为自由形式的多材料组装工艺，有望彻底改变新产品的制造方式。通过打印嵌入结构中的传感器，机器可以创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看起来自然的物体，例如岩石或贝壳，可以测量海水流量。对于公众来说，应用程序可能包括监测血压和其他生命体征的可穿戴设备。

其他技术在材料的多功能性以及如何在较大的3D 结构中精确放置较小的部件方面存在不足。该团队的方法是使用特殊技术来解决这些问题。团队成员建造了一台具有三种不同喷嘴的机器：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。首先用普通的3D 打印线材（例如聚碳酸酯，一种透明的热塑性塑料）制作基本结构。然后，使用激光将某些部件转换成一种称为激光诱导石墨烯的特殊材料，并将其准确放置在需要的位置。最后，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) 先进制造计划和NSFI-CorpsTM 计划的资助，该计划为勘探的商业化提供资金。

“I-Corps 计划正在帮助我们确定市场兴趣和需求，”林说。目前，我们认为其他研究人员会对它感兴趣，但我们相信它最终将使企业受益。它将缩短设备原型的制造时间，并使公司能够在内部制造原型。这项技术只有密苏里大学才有，有望改变产品的制造和生产方式。 \'

该研究的第一作者、密苏里大学机械工程博士生Bujingda Cheng 说：“这是第一次使用这个过程，它开辟了新的可能性。” “我对这个设计感到非常兴奋。我一直想做一些以前从未做过的事情，而我在密苏里大学做到了。 \'

主要好处之一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。

密苏里大学机械与航空航天工程系副教授Jian'Javen'Lin 表示：“这开辟了全新市场的可能性。”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。 \'

目前，制造印刷电路板等多层结构是一个繁琐的过程，涉及多个步骤和多种材料。这些过程成本高昂、耗时，并且会产生对环境有害的废物。这项新技术不仅对地球更有利，而且其灵感也来自自然界中发现的系统。

“自然界中的一切都是由结构和功能材料组成的，”郑说。例如，电鳗有骨骼和肌肉，可以让它们移动。它们还有专门的细胞，可以发出高达500 伏的电压来击倒猎物。这些生物学观察结果启发研究人员开发新方法来制造具有多种应用的3D 结构，但其他新兴方法也存在局限性。 \'

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41467-024-48919-5