工程師為三維打印設(shè)備開發(fā)多材料纖維墨水

麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)的一種新方法使用標(biāo)準(zhǔn)的3-D打印機生產(chǎn)功能設(shè)備，其中已嵌入電子設(shè)備。這些設(shè)備由含有多種互連材料的纖維制成，可以點亮，感知周圍環(huán)境，儲存能量或執(zhí)行其他操作。

新的3-D打印方法在自然通訊雜志，麻省理工學(xué)院博士生Gabriel Loke，教授John Joannopoulos和Yoel Fink以及麻省理工學(xué)院和其他地方的其他四篇論文中有所描述。

該系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的3-D打印機，配備特殊噴嘴和新型燈絲，以取代通常的單材料聚合物長絲，通常在從打印機噴嘴擠出之前完全融化。研究人員的新燈絲具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由不同的材料組成，排列精確，并在外面被聚合物包層包圍。

在新的打印機中，噴嘴在較低的溫度下工作，并通過較快的傳統(tǒng)打印機拉動燈絲，這樣只有其外層部分熔化。內(nèi)部保持涼爽和堅固，其嵌入式電子功能不受影響。以這種方式，表面熔化剛好足以使其在印刷過程中牢固地粘附到相鄰的長絲上，以產(chǎn)生堅固的3-D結(jié)構(gòu)。

燈絲中的內(nèi)部元件包括用作導(dǎo)體的金屬線，可用于控制有源功能的半導(dǎo)體，以及用于防止電線彼此接觸的聚合物絕緣體。作為示范，該團(tuán)隊使用包含發(fā)光和光檢測電子設(shè)備的燈絲為模型飛機打印了一個機翼。這些組件可能潛在地揭示可能形成的任何微觀裂縫的形成。

雖然模型翼中使用的長絲包含八種不同的材料，但Loke說原則上它們可以包含更多。他說，在這項工作之前，“一臺能夠在單一平臺上沉積金屬，半導(dǎo)體和聚合物的打印機仍然不存在，因為打印這些材料需要不同的硬件和技術(shù)。”

Loke說，這種方法比目前任何其他制造3D設(shè)備的方法快三倍，與所有三維打印機一樣，與典型的制造方法相比，它可以提供更多的靈活性。 。“這種方法獨特于3D打印，能夠構(gòu)建任何自由形狀的設(shè)備，這是目前為止無法通過任何其他方法實現(xiàn)的，”他說。

該方法利用熱拉伸纖維，其中嵌入了各種不同的材料，這一過程Fink和他的合作者已經(jīng)完善了二十年。他們創(chuàng)造了一系列纖維，其中包含電子元件，使纖維能夠發(fā)揮各種功能。例如，對于通信應(yīng)用，閃光燈可以傳輸數(shù)據(jù)，然后由包含光傳感器的其他光纖拾取。這種方法首次生產(chǎn)出具有這些功能的纖維和由它們織成的織物。

現(xiàn)在，這一新工藝使得整個纖維系列成為生產(chǎn)功能性3-D設(shè)備的原材料，可以感知，通信或存儲能量等。

為了制造纖維本身，不同的材料最初被組裝成稱為預(yù)制件的更大規(guī)模的形式，然后在爐子中加熱和拉伸以產(chǎn)生非常窄的纖維，其包含所有這些材料，在相同的相對位置但是大大減小了。

可以進(jìn)一步開發(fā)該方法以生產(chǎn)各種不同類型的設(shè)備，尤其是對于精確定制每個設(shè)備的能力是必要的應(yīng)用。其中一個領(lǐng)域是生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，其中將設(shè)備與患者自身的身體相匹配可能很重要，F(xiàn)ink說，他是材料科學(xué)，電氣工程和計算機科學(xué)教授，以及非營利性高級功能性面料的首席執(zhí)行官。。

例如，假肢有一天可能會使用這種方法進(jìn)行印刷，不僅要匹配患者肢體的精確尺寸和輪廓，還要使用所有電子設(shè)備來監(jiān)控和控制嵌入到位的肢體。

多年來，該集團(tuán)開發(fā)了各種含有不同材料和功能的纖維。Loke說，幾乎所有這些都可以適用于新的3D打印技術(shù)，從而可以打印具有各種不同材料和功能組合的物體。該設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)類型的3-D打印機，稱為熔融沉積建模(FDM)打印機，已在許多實驗室，辦公室甚至家庭中找到。

將來可能的一種應(yīng)用是印刷用于生物醫(yī)學(xué)植入物的材料，其將為新細(xì)胞的生長提供替代受損器官的支架，并且在其內(nèi)包括用于監(jiān)測該生長進(jìn)展的傳感器。

新方法也可用于設(shè)備的原型設(shè)計 - 已經(jīng)是3D打印的主要應(yīng)用，但在這種情況下，原型將具有實際功能，而不是靜態(tài)模型。