韩国研究人员使用液态金属进行3D打印

来源：增材之光

在《高分辨率，三维结构的液态金属的可重构打印》一文中，作者们探索了金属三维打印领域之外的新技术。通过液态金属3D打印，作者们可以创建“可伸缩”的3D集成，形成“多样化的3D结构”。作为本研究的一个例子，他们创建了一个可重构天线。

图1：高分辨率打印液态金属。（A）打印系统的示意图。（B）2D和3D高分辨率EGaIn图案的扫描电镜图像。比例尺，100毫米。插图：放大的3D结构扫描电镜图像。比例尺，100毫米。（C）打印EGaIn线的AFM图像和横截面轮廓。比例尺，2毫米。（D）1.9毫米宽的EGaIn图案的扫描电镜图像。比例尺，10毫米。（E）在PET膜和环氧树脂（SU-8）上EGaIn的3D图案的描电镜图像。比例尺，10毫米。（F）（B）中打印的高分辨率EGaIn图案的照片。比例尺，1厘米。（G）EGaIn的互连图案的照片。插图：顶视图照片。比例尺，5毫米。（H）根据打印速度打印的EGaIn线的光学显微照片。比例尺，40毫米。（I）线宽与打印速度的关系图。（J）线宽与喷嘴内径的关系图。（I）和（J）中的误差条表示SD。

设备中的畸形是这里关注的焦点，集中在“自由电子”中的应用，如：
•可拉伸电子产品
•可穿戴电子产品
•软执行器
•机器人

以前，在为这些设备寻找合适的材料方面存在着挑战，这些设备需要可移动部件，这些部件也适合于消费者，或者作为功能对象易于操作。作者指出，脆性通常是一个问题，虽然导电材料已开发，如波纹金属、金属网络和各种复合材料。虽然有希望，但这种方法并不总是可扩展到3D打印，并且分辨率可能是个问题。

“虽然使用金属纳米颗粒（例如Ag或Cu）墨水的基于长丝的直接墨水书写方法已显示出高分辨率打印的一些可行性，但它们需要额外的热退火或干燥过程以形成导电通路，这会导致软化损坏，组织样基质。此外，这些打印和热退火的金属图案相对刚性和坚硬。因此，重复的器件变形会导致这些金属电极开裂或失效。”

研究人员讨论了液态金属，如共晶镓铟合金（EGaIn）和镓铟锡合金（Galinstan），这两种材料都具有低毒性和极低的挥发性。与固体金属相比，它们也表现出优异的导电性。虽然微流体或光刻可用于图案化液态金属，但它们的结构仅限于2D领域。在环境条件下使用精细喷嘴打印液态金属，作者能够创建高分辨率结构。使用窄金属丝允许独立结构由液态金属制成;实际上，它们甚至可以被喷嘴抬起并移动。

图2：将液态金属重新配置为三维结构。（A）每个重新配置步骤的示意图。（B）重新配置期间两个粘附力的示意图。（C）从基板上剥离（左）和切断（右）Egain的照片。比例尺，100毫米。（D）管线状态与喷嘴提升速度的关系图。（E）重新配置的光学显微照片。打印的水平线（左）被提起并重新配置（右）。比例尺，200毫米。（F）重新配置的方形线圈的扫描电镜图像。方形线圈（左）内的内线端被提升并重新配置（右）。比例尺，200毫米。（G）Egain三维桥梁的扫描电镜图像。比例尺，500毫米。插图：三维桥梁的放大扫描电镜图像。比例尺，200毫米。（H）EGaIn中施加的偏差和响应电流密度的曲线图。

使用安装在注射器上的喷嘴和放置在五轴平台上的基板，将高分辨率天线3D打印作为研究样品。该团队还创建了独立的电极结构，可以最大限度地减少互连，并且“旨在实现小型化设备的更高集成度。”

“我们相信这种高分辨率3D重新配置方法提供了一种有前途的策略，作为一种可以与高度集成和可拉伸设备的传统制造技术相结合的增材工艺，这表明在下一代电子设备中有很大的应用前景。”研究人员表示。

虽然许多工业用户正在享受诸如能够构建坚固而轻巧的复杂几何形状的优势，但正在探索金属作为3D打印的最强介质，无论是制造多孔金属生物材料、自动化金属板生产，还是具有高碳化物含量的专利金属。


图3：直接打印和重新配置的液态金属的电接触。（A）直接打印（左）和重新配置（右）的示意图。（B）总电阻对通道长度的依赖性。误差线代表SD。（C）Ag焊盘和直接打印EGaIn之间的电流 - 电压特性。（D）Ag焊盘和重新配置的EGaIn之间的电流 - 电压特性。（E和F）直接打印7小时后，Ag垫上的EGaIn的扫描电镜图像。（G和H）重新配置7小时后EGaIn的扫描电镜图像。比例尺，200毫米。