電路制造領(lǐng)域突破性技術(shù)！早稻田大學(xué)研究人員3D打印復(fù)雜的金屬塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)

2022年12月3日，南極熊獲悉，來自日本和新加坡的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的3D打印技術(shù)，可以在3D塑料結(jié)構(gòu)的外部和內(nèi)部表面創(chuàng)建精確的圖案。近年來，由于其在下一代電子產(chǎn)品制造中的巨大潛力，人們對在塑料部件上3D打印金屬圖案的研究興趣成倍增長?，F(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的3D打印工藝，用于制造具有復(fù)雜形狀的3D金屬塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)。

△使用新技術(shù)制備的 3D 金屬-塑料復(fù)合材料的示例。資料來源：早稻田大學(xué)

這項研究已經(jīng)以題為“用于在 3D 塑料結(jié)構(gòu)的外表面甚至內(nèi)表面精確制造任意金屬圖案的新型金屬-塑料混合增材制造/New Metal–Plastic HybridAdditive Manufacturing for Precise Fabrication of Arbitrary Metal Patterns onExternal and Even Internal Surfaces of 3D Plastic Structures”的論文被發(fā)表在 ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c10617

三維金屬塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)在智能電子、微/納米傳感、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，甚至是量子計算方面具有廣泛的潛在適用性。使用這些結(jié)構(gòu)建造的設(shè)備有更高的設(shè)計自由度，可以有更復(fù)雜的功能，復(fù)雜的幾何形狀，以及越來越小的尺寸。然而，目前制造這種部件的方法既昂貴又復(fù)雜。

為此，研究人員開發(fā)了一種新的多材料數(shù)字光處理3D打印（MM-DLP3DP）工藝，以制造具有任意復(fù)雜形狀的金屬塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)。負責(zé)該項研究的主要作者日本早稻田大學(xué)的Shinjiro Umezu教授、Kewei Song先生和新加坡南洋理工大學(xué)的Hirotaka Sato教授在解釋這項研究背后的動機時說："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)也必須隨之發(fā)展。雖然現(xiàn)有技術(shù)可以制造3D電路，但堆疊平面電路仍然是一個活躍的研究領(lǐng)域。我們希望解決這個問題，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。"

MM-DLP3DP工藝是一個多步驟的過程，首先是制備活性前體--在3D打印后可轉(zhuǎn)化為所需化學(xué)品的化學(xué)品，因為所需化學(xué)設(shè)備被用來制造含有樹脂或活性前體的嵌套區(qū)域的微結(jié)構(gòu)。最后，這些材品本身不能被3D打印。在這里，鈀離子被添加到光固化樹脂中以制備活性前體。這樣做是為了促進無電解鍍（ELP），一個描述金屬離子在水溶液中自動催化還原以形成金屬涂層的過程。接下來，MM-DL3DP料被直接電鍍，并使用ELP將3D金屬圖案添加到其中。

△研究人員3D打印復(fù)雜的金屬塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)，在三維塑料結(jié)構(gòu)的表面創(chuàng)建精確的圖案。來源：早稻田大學(xué)

研究小組制造了各種具有復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)的零件，以證明所提出的技術(shù)的制造能力。這些零件具有多材料嵌套層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括微孔和微小的中空結(jié)構(gòu)，其中最小的結(jié)構(gòu)尺寸為40μm。這些部件上的金屬圖案非常具體，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，如使用鎳的LED立體電路和使用銅的雙面3D電路。

研究人員說："使用MM-DLP3DP工藝，可以制造出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。這些因素加在一起，可以促進高度集成和可定制的3D微電子的發(fā)展。"

新的制造工藝有望成為電路制造的一項突破性技術(shù)，可應(yīng)用于各種不同的技術(shù)，包括三維電子、超材料、柔性可穿戴設(shè)備和金屬空心電極。