中科院理化所液态金属悬浮3D打印技术解析

二十世纪80年代，使用打孔纸、运行时发生嘈杂声响的点矩阵打印机是主流设备，而短短三十年后的今天，竟然会让位给“无所不能”的 3D 打印机。从武器装备到人体器官，从汽车零件到高楼大厦，现在的 3D 打印机可以制造出的东西超乎想象，各类高精尖领域都在研究 3D 打印技术的应用， 3D 打印技术也在不断地创新发展。

近期，中科院理化所低温生物与医学实验室首次提出“液态金属悬浮 3D 打印”的概念和方法，可在室温下快速制造具有任意复杂形状和结构的三维柔性金属可变形体并用于组装立体可拉伸电子器件。

液态金属悬浮 3D 打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，以镓铟液态金属合金等材料为打印墨水，采用可在流体与固体状态间自由转换的自恢复水凝胶作为支撑材料，通过软件分层离散和数控成型系统，使打印喷头可以在凝胶支撑环境中按照事先设定好的成形路径自由往复运动，并连续挤出室温液态金属，借助凝胶材料用来支撑并固定挤出液态金属的形状，通过逐层堆积成形具有复杂形状的宏观三维结构。

液态金属悬浮 3D 打印原理示意

打印过程中，凝胶材料受到喷头的挤压而发生局部液化，这使得喷头可以轻易插入凝胶内部并在其内部自如运动；当喷头经过后，发生液化的凝胶会迅速固化并恢复到稳定形态。室温液态金属通过打印喷头被连续挤出。较高的表面张力使得挤出的液态金属以球状液滴的形态悬挂在喷头顶端，随着喷头与凝胶之间的相对运动，挤出的金属液滴发生颈缩并最终与喷头断开，被支撑凝胶包裹、固定，在打印喷头经过的路径上留下一系列独立的液态金属微球。在凝胶支撑环境中通过室温液态金属微球的逐层堆积，最终成形多维度宏观三维结构。

液态金属悬浮3D打印的技术优势在哪里？
液态金属悬浮 3D 打印技术突破了传统刚体结构成形模式与 3D 打印范畴，优势在于：可成形任意复杂形状三维结构；集打印封装于一体；室温制造金属构件；可实现立体柔性电路打印；成形周期短；零技能制造。此项研究在不定形柔性电子器件、智能系统快速制造乃至可变形 4D 打印等方面具有重要价值。