液態(tài)金屬3D打印成型可重構(gòu)天線

來(lái)源： 電子工程3D打印

液態(tài)金屬是一類具有不定型態(tài)、可流動(dòng)液體形態(tài)的金屬材料。“汞”可能是大家最先想到的液態(tài)金屬材料，事實(shí)上目前液態(tài)金屬還包含了“鎵”、“銦”以及其相關(guān)的合金材料。目前國(guó)內(nèi)在液態(tài)金屬領(lǐng)域的研究是以中科院、清華大學(xué)劉靜老師團(tuán)隊(duì)為代表，其已采用噴墨、直寫等多種工藝針對(duì)液態(tài)金屬的特性及特定領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。由該領(lǐng)域衍生出液態(tài)金屬相關(guān)的技術(shù)型企，如北京夢(mèng)之墨公司、云南中宜液態(tài)金屬等，已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

最近韓國(guó)研究人員利用液態(tài)金屬3D打印技術(shù)成型了可重構(gòu)天線。這無(wú)疑在3D金屬打印領(lǐng)域之外開(kāi)拓了一種新技術(shù)，應(yīng)用液態(tài)金屬3D打印可以成型可延展的多樣集成化結(jié)構(gòu)。未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域包括：可延展電子、穿戴電子、軟體制動(dòng)器、機(jī)器人等領(lǐng)域。

液態(tài)金屬成型的微觀結(jié)構(gòu)

在之前，柔性器件是需要能夠讓消費(fèi)者體驗(yàn)到舒適感或者是一個(gè)易于操控的功能體，但是尋找合適用于這類柔性器件的材料遇到了很多挑戰(zhàn)。作者指出了盡管已經(jīng)發(fā)展出了像波紋狀、金屬網(wǎng)格及各種復(fù)合材料，但導(dǎo)體材料的脆性仍然是一個(gè)經(jīng)常遇到的問(wèn)題。當(dāng)我們懷抱希望時(shí)，但是這些材料不適合于3D打印成型，且成型精度也是個(gè)問(wèn)題。

  當(dāng)以用納米金屬顆粒絲材為基礎(chǔ)的直寫技術(shù)已經(jīng)展示高精度打印的可行性時(shí)，他們需要額外的熱處理或固化處理來(lái)形成導(dǎo)體通路。但這熱處理的這個(gè)過(guò)程有可能會(huì)引起軟體、組織狀的基材受損。此外，這些打印后經(jīng)過(guò)熱處理后的金屬圖形都會(huì)相對(duì)是剛性、較硬的，因此重復(fù)變形將會(huì)造成導(dǎo)體開(kāi)裂或者電路失效。”下面圖片展示了利用3D打印成型空間微細(xì)結(jié)構(gòu)的過(guò)程，是不是有點(diǎn)像微組裝的金絲鍵合工藝（見(jiàn)下圖），實(shí)際上他是利用液體金屬擠出后會(huì)在其表面形成一層薄薄的硬質(zhì)氧化層因而可以支撐起一定高度牽引，但其并不會(huì)影響電性能。

IC金絲鍵合工藝

研究人員討論了液態(tài)金屬，像共晶類的鎵銦合金（GaIn）和鎵銦細(xì)錫合金 (Galinstan)，都是可延展的材料，這些材料都展現(xiàn)出了低毒性和不易揮發(fā)的特點(diǎn)。對(duì)比固體金屬材料，它們同樣展示出優(yōu)越的導(dǎo)電性能。當(dāng)微流體及印刷電子可以采用液態(tài)金屬成型電子圖形時(shí)，但是這些結(jié)構(gòu)都被局限在2D的范疇內(nèi)。文章作者在常溫環(huán)境下應(yīng)用精細(xì)的噴孔成型了液態(tài)金屬的高精度結(jié)構(gòu)體。由于擠出成型的金屬細(xì)絲使得無(wú)支撐體結(jié)構(gòu)可以用液態(tài)金屬打印成為可能。事實(shí)上，甚至這些細(xì)絲可以隨著噴孔抬起、移動(dòng)。

3D打印成型的高精度天線體主要是用來(lái)實(shí)驗(yàn)研究的試樣，用一個(gè)安裝在針筒上的精細(xì)噴嘴和一個(gè)放置在五軸平臺(tái)的基板上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。團(tuán)隊(duì)也用同樣的工藝實(shí)現(xiàn)了無(wú)支撐的電極結(jié)構(gòu)體、極小尺寸的三維互聯(lián)，這些目標(biāo)都是為了推動(dòng)微型設(shè)備高度集成化。

“我們相信這種高精度3D可重構(gòu)的方法為增材制造提供了一個(gè)非常有預(yù)期的策略，這項(xiàng)工藝可以與傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于高度集成化及可延展器件上，為下一代的電子技術(shù)發(fā)展帶來(lái)了很大空間的預(yù)期”—文章作者

小編認(rèn)為這項(xiàng)研究對(duì)于未來(lái)液態(tài)金屬在柔性體結(jié)構(gòu)電路一體化應(yīng)用上奠定了基礎(chǔ)，幻想一下未來(lái)的軟體機(jī)器人中的信號(hào)傳輸線路假如都可以用液態(tài)金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)的話，其除了能傳導(dǎo)信號(hào)其具有的延展性，支持關(guān)節(jié)類結(jié)構(gòu)體運(yùn)動(dòng)，那機(jī)器人又要進(jìn)化了