工程师为3d打印设备开发多材料纤维墨水

麻省理工学院的研究人员开发了一种新方法，使用标准的3-D打印机制造出内置电子器件的功能设备。这些设备由含有多种相互连接材料的纤维制成，这些材料可以发光、感知周围环境、存储能量或执行其他动作。

该系统利用传统的3-D打印机，配备一个特殊的喷嘴和一种新型灯丝，以取代通常的单一材料聚合物灯丝，这种聚合物灯丝在从打印机的喷嘴挤出之前通常会完全融化。研究人员的新灯丝具有复杂的内部结构，由精确排列的不同材料组成，并在外部被聚合物包层包围。

在打印机中，喷嘴在较低的温度下工作，并更快地将灯丝穿过传统打印机，因此只有外层会部分熔化。内部保持凉爽和坚固，其嵌入式电子功能不受影响。通过这种方式，表面被熔化到足以使其在打印过程中牢固地粘附在相邻的细丝上，从而产生坚固的3-D结构。

灯丝的内部组件包括作为导体的金属线，可用于控制有源功能的半导体，以及防止导线相互接触的聚合物绝缘体。作为演示，该团队用包含发光和光探测电子器件的细丝为模型飞机打印了机翼。这些成分可以潜在地揭示任何可能发展的微观裂缝的形成。

虽然用于模型机翼的细丝包含八种不同的材料，洛克说，原则上它们可以包含更多的材料。他说，在这项研究之前，“能够在单一平台上沉积金属、半导体和聚合物的打印机仍然不存在，因为打印每种材料需要不同的硬件和技术。”

洛克说，这种方法比目前任何其他制造3d设备的方法快三倍，而且与所有3d打印机一样，在可以生产的形式方面比典型的制造方法具有更大的灵活性。他说:“这种方法是3d打印的独特之处，它能够构建任何自由形状的设备，这是迄今为止任何其他方法都无法实现的。”

这种方法利用了热拉伸纤维，其中嵌入了各种不同的材料，芬克和他的合作者已经在这一过程中完善了20年。他们创造了一组含有电子元件的纤维，使纤维能够执行各种功能。例如，对于通信应用，闪光灯可以传输数据，然后由包含光传感器的其他光纤接收。这种方法首次生产出了具有这些功能的纤维和织物。

这一过程使得整个纤维家族可以作为生产功能性3d设备的原材料，这些设备可以感知、通信或存储能量等。

为了制造纤维本身，不同的材料首先被组装成一个更大的版本，称为预坯，然后在熔炉中加热和拉伸，以产生一个包含所有这些材料的非常窄的纤维，它们的相对位置完全相同，但尺寸大大减小。

这种方法可能会进一步发展，以生产各种不同类型的设备，特别是对于精确定制每个设备的能力至关重要的应用程序。芬克是材料科学、电气工程和计算机科学教授，非营利组织美国先进功能织物(Advanced Functional Fabrics of America)的首席执行官，也是电子研究实验室(Research Laboratory of Electronics)的副主任。他说，其中一个领域是生物医学设备，将设备与患者自身的身体相匹配非常重要。

例如，有一天假肢可能会使用这种方法打印出来，不仅与患者肢体的精确尺寸和轮廓相匹配，而且与所有的电子设备相匹配，以监测和控制嵌入的肢体。

多年来，该集团开发了包含不同材料和功能的广泛纤维。洛克说，几乎所有这些都可以适用于新的3d打印技术，使得打印具有各种不同材料和功能组合的物体成为可能。该设备使用了一种被称为熔融沉积建模(FDM)打印机的标准类型的3-D打印机，这种打印机已经在许多实验室、办公室甚至家庭中使用。

未来可能的一种应用是打印生物医学植入材料，为新细胞的生长提供支架，以取代受损器官，并在其中包含传感器，以监测生长的进程。

这种新方法也可以用于设备的原型设计——这已经是3d打印的主要应用，但在这种情况下，原型将具有实际功能，而不是静态模型。

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