一區(qū)Top期刊：制造復(fù)雜金屬-塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型3D打印方法

2022年12月1日，南極熊獲悉，來自日本和新加坡的研究人員開發(fā)了一種新的 3D 打印技術(shù)，可以在3D塑料結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面上創(chuàng)建精確的圖案。

他們的研究內(nèi)容已經(jīng)發(fā)表在了 ACS Applied Materials & Interfaces（一區(qū)期刊）上，題目為《New Metal−Plastic Hybrid Additive Manufacturing for Precise Fabrication of Arbitrary Metal Patterns on External and Even Internal Surfaces of 3D Plastic Structures》（《新型金屬塑料混合添加制造技術(shù)，可在3D塑料結(jié)構(gòu)的外表面甚至內(nèi)表面上精確制造任意金屬圖案》）



研究內(nèi)容
近年來，由于其在下一代電子產(chǎn)品制造中的巨大潛力，對塑料部件上金屬圖案 3D 打印的研究興趣呈指數(shù)級增長，但通過傳統(tǒng)方式制造如此復(fù)雜的零件并不容易。在復(fù)雜的三維(3D)塑料部件上構(gòu)建精確的金屬圖案可以制造用于高級應(yīng)用的功能設(shè)備。然而，這種技術(shù)目前很昂貴，并且需要復(fù)雜的過程。

為了解決上述問題，來自早稻田和新加坡的研究者們提出了一種制造具有任意復(fù)雜形狀的3D金屬-塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。他們將光固化樹脂改性以制備活性前體，然后進行化學(xué)鍍(ELP)。新開發(fā)的多材料數(shù)字光處理3D打印機用于制造包含由標(biāo)準(zhǔn)樹脂或活性前體制成的相互嵌套的區(qū)域的部件。對此類零件進行選擇性3D ELP處理，可提供各種金屬塑料復(fù)合零件，這些零件具有復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)，分辨率為40 μm。


△制造的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D金屬-塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)零件示例

使用這種技術(shù)，可以制造傳統(tǒng)方法無法制造的3D設(shè)備，并且可以在塑料零件內(nèi)部制作金屬圖案，作為進一步小型化電子設(shè)備的一種手段。所提出的方法還可以產(chǎn)生金屬涂層，改善金屬對基底的粘附力。最后，研究人員設(shè)計并制作了幾種由不同功能材料和特定金屬圖案構(gòu)成的傳感器。目前的結(jié)果證明了所提出的方法的可行性，并提出了在3D電子、可穿戴設(shè)備和傳感器領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

主要作者Shinjiro Umezu 教授、早稻田大學(xué)的 Kewei Song 先生和新加坡南洋理工大學(xué)的 Hirotaka Sato 教授說：“機器人和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在以閃電般的速度發(fā)展。因此，制造它們的技術(shù)也必須發(fā)展。盡管現(xiàn)有技術(shù)可以制造3D電路，但堆疊平面電路仍然是一個值得研究的領(lǐng)域。我們想解決這個問題，創(chuàng)造出功能強大的設(shè)備，以促進人類社會的進步和發(fā)展?！?br />
MM-DLP3DP 過程是一個多步驟制造過程：



●從制備活性前體開始。在這里，將鈀離子添加到光固化樹脂中以制備活性前體。這樣做是為了促進化學(xué)鍍 (ELP)，這是一種描述水溶液中金屬離子自動催化還原以形成金屬涂層的過程。

●接下來，使用MM-DL3DP 設(shè)備制造包含樹脂或活性前體嵌套區(qū)域的微結(jié)構(gòu)。

●最后，直接電鍍這些材料，并使用 ELP 添加 3D 金屬圖案。

研究團隊制造了各種具有復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)的零件，以展示所提出技術(shù)的制造能力。這些部件具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，具有多材料嵌套層，包括微孔和微小的中空結(jié)構(gòu)，其中最小的尺寸為 40 μm。而且，這些部件上的金屬紋路非常特殊，可以精確控制。該團隊還制造了具有復(fù)雜金屬拓撲結(jié)構(gòu)的 3D 電路板，例如帶鎳的 LED 立體電路和帶銅的雙面 3D 電路。



Umezu、Song 和 Sato 表示：“使用 MM-DLP3DP 工藝，可以制造具有特定金屬圖案的任意復(fù)雜的金屬-塑料 3D 部件。此外，使用活性前體選擇性地誘導(dǎo)金屬沉積可以提供更高質(zhì)量的金屬涂層?？傊@些因素有助于開發(fā)高度集成和可定制的 3D 微電子產(chǎn)品。“

展望
●與傳統(tǒng)工藝相比，這種新技術(shù)允許傳感器和待測物體的集成制造，從而避免了由組裝引起的測量誤差和復(fù)雜工藝。

●隨著更專業(yè)的光固化樹脂的出現(xiàn)，制造具有獨特性能的3D結(jié)構(gòu)應(yīng)該是可能的。

●此外，多種金屬(包括鎳、鈷、銅、金、銀和鉑)可能通過活性前體誘導(dǎo)電鍍的方式沉積成目標(biāo)圖案。這種工藝能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)合材料的3D嵌套，因此具有有前途的應(yīng)用，特別是MEMS、傳感器和機器人、可穿戴設(shè)備和3D精密電子設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域。

原文鏈接：DOI：10.1021/acsami.2c10617