工程师为三维打印设备开发多材料纤维墨水

麻省理工学院研究人员开发的一种新方法使用标准的3-D打印机生产功能设备，其中已嵌入电子设备。这些设备由含有多种互连材料的纤维制成，可以点亮，感知周围环境，储存能量或执行其他操作。

新的3-D打印方法在自然通讯杂志，麻省理工学院博士生Gabriel Loke，教授John Joannopoulos和Yoel Fink以及麻省理工学院和其他地方的其他四篇论文中有所描述。

该系统使用传统的3-D打印机，配备特殊喷嘴和新型灯丝，以取代通常的单材料聚合物长丝，通常在从打印机喷嘴挤出之前完全融化。研究人员的新灯丝具有复杂的内部结构，由不同的材料组成，排列精确，并在外面被聚合物包层包围。

在新的打印机中，喷嘴在较低的温度下工作，并通过较快的传统打印机拉动灯丝，这样只有其外层部分熔化。内部保持凉爽和坚固，其嵌入式电子功能不受影响。以这种方式，表面熔化刚好足以使其在印刷过程中牢固地粘附到相邻的长丝上，以产生坚固的3-D结构。

灯丝中的内部元件包括用作导体的金属线，可用于控制有源功能的半导体，以及用于防止电线彼此接触的聚合物绝缘体。作为示范，该团队使用包含发光和光检测电子设备的灯丝为模型飞机打印了一个机翼。这些组件可能潜在地揭示可能形成的任何微观裂缝的形成。

虽然模型翼中使用的长丝包含八种不同的材料，但Loke说原则上它们可以包含更多。他说，在这项工作之前，“一台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，因为打印这些材料需要不同的硬件和技术。”

Loke说，这种方法比目前任何其他制造3D设备的方法快三倍，与所有三维打印机一样，与典型的制造方法相比，它可以提供更多的灵活性。。“这种方法独特于3D打印，能够构建任何自由形状的设备，这是目前为止无法通过任何其他方法实现的，”他说。

该方法利用热拉伸纤维，其中嵌入了各种不同的材料，这一过程Fink和他的合作者已经完善了二十年。他们创造了一系列纤维，其中包含电子元件，使纤维能够发挥各种功能。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拾取。这种方法首次生产出具有这些功能的纤维和由它们织成的织物。

现在，这一新工艺使得整个纤维系列成为生产功能性3-D设备的原材料，可以感知，通信或存储能量等。

为了制造纤维本身，不同的材料最初被组装成称为预制件的更大规模的形式，然后在炉子中加热和拉伸以产生非常窄的纤维，其包含所有这些材料，在相同的相对位置但是大大减小了。

可以进一步开发该方法以生产各种不同类型的设备，尤其是对于精确定制每个设备的能力是必要的应用。其中一个领域是生物医学设备，其中将设备与患者自身的身体相匹配可能很重要，Fink说，他是材料科学，电气工程和计算机科学教授，以及非营利性高级功能性面料的首席执行官。。

例如，假肢有一天可能会使用这种方法进行印刷，不仅要匹配患者肢体的精确尺寸和轮廓，还要使用所有电子设备来监控和控制嵌入到位的肢体。

多年来，该集团开发了各种含有不同材料和功能的纤维。Loke说，几乎所有这些都可以适用于新的3D打印技术，从而可以打印具有各种不同材料和功能组合的物体。该设备使用标准类型的3-D打印机，称为熔融沉积建模(FDM)打印机，已在许多实验室，办公室甚至家庭中找到。

将来可能的一种应用是印刷用于生物医学植入物的材料，其将为新细胞的生长提供替代受损器官的支架，并且在其内包括用于监测该生长进展的传感器。