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(lái)自日本和新加坡的研究人員開(kāi)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?jī)?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?jī)?nèi)容
近年來(lái)，由于其在下一代電子產(chǎn)品制造中的巨大潛力，對(duì)塑料部件上金屬圖案 3D 打印的研究興趣呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但通過(guò)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(jí)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(guò)程。

為了解決上述問(wèn)題，來(lái)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(shù)脂改性以制備活性前體，然后進(jìn)行化學(xué)鍍(ELP)。新開(kāi)發(fā)的多材料數(shù)字光處理3D打印機(jī)用于制造包含由標(biāo)準(zhǔn)樹(shù)脂或活性前體制成的相互嵌套的區(qū)域的部件。對(duì)此類(lèi)零件進(jìn)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(wú)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(jìn)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(duì)基底的粘附力。最后，研究人員設(shè)計(jì)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(shuō)：“機(jī)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(gè)值得研究的領(lǐng)域。我們想解決這個(gè)問(wèn)題，創(chuàng)造出功能強(qiáng)大的設(shè)備，以促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展�！�

MM-DLP3DP 過(guò)程是一個(gè)多步驟制造過(guò)程：



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

●接下來(lái)，使用MM-DL3DP 設(shè)備制造包含樹(shù)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(tuán)隊(duì)制造了各種具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(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(tuán)隊(duì)還制造了具有復(fù)雜金屬拓?fù)浣Y(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�，這些因素有助于開(kāi)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(cè)物體的集成制造，從而避免了由組裝引起的測(cè)量誤差和復(fù)雜工藝。

●隨著更專(zhuān)業(yè)的光固化樹(shù)脂的出現(xiàn)，制造具有獨(dú)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(guò)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(jī)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