金属-塑料复合结构的新型3D打印方法

来自日本和新加坡的研究人员开发了一种新的 3D 打印技术，可以在3D塑料结构的内外表面上创建精确的图案。

他们的研究内容已经发表在了 ACS Applied Materials & Interfaces（一区期刊）上，题目为《New Metal−Plastic Hybrid Additive Manufacturing for Precise Fabrication of Arbitrary Metal Patterns on External and Even Internal Surfaces of 3D Plastic Structures》（《新型金属塑料混合添加制造技术，可在3D塑料结构的外表面甚至内表面上精确制造任意金属图案》）

研究内容

近年来，由于其在下一代电子产品制造中的巨大潜力，对塑料部件上金属图案 3D 打印的研究兴趣呈指数级增长，但通过传统方式制造如此复杂的零件并不容易。在复杂的三维（3D）塑料部件上构建精确的金属图案可以制造用于高级应用的功能设备。然而，这种技术目前很昂贵，并且需要复杂的过程。

为了解决上述问题，来自早稻田和新加坡的研究者们提出了一种制造具有任意复杂形状的3D金属-塑料复合结构的方法。他们将光固化树脂改性以制备活性前体，然后进行化学镀（ELP）。新开发的多材料数字光处理3D打印机用于制造包含由标准树脂或活性前体制成的相互嵌套的区域的部件。对此类零件进行选择性3D ELP处理，可提供各种金属塑料复合零件，这些零件具有复杂的中空结构，分辨率为40 μm。

△制造的具有复杂结构的3D金属-塑料复合结构零件示例

使用这种技术，可以制造传统方法无法制造的3D设备，并且可以在塑料零件内部制作金属图案，作为进一步小型化电子设备的一种手段。所提出的方法还可以产生金属涂层，改善金属对基底的粘附力。最后，研究人员设计并制作了几种由不同功能材料和特定金属图案构成的传感器。目前的结果证明了所提出的方法的可行性，并提出了在3D电子、可穿戴设备和传感器领域的潜在应用。

主要作者Shinjiro Umezu 教授、早稻田大学的 Kewei Song 先生和新加坡南洋理工大学的 Hirotaka Sato 教授说：“机器人和物联网设备正在以闪电般的速度发展。因此，制造它们的技术也必须发展。尽管现有技术可以制造3D电路，但堆叠平面电路仍然是一个值得研究的领域。我们想解决这个问题，创造出功能强大的设备，以促进人类社会的进步和发展。”

MM-DLP3DP 过程是一个多步骤制造过程：

●从制备活性前体开始。在这里，将钯离子添加到光固化树脂中以制备活性前体。这样做是为了促进化学镀 （ELP），这是一种描述水溶液中金属离子自动催化还原以形成金属涂层的过程。

●接下来，使用MM-DL3DP 设备制造包含树脂或活性前体嵌套区域的微结构。

●最后，直接电镀这些材料，并使用 ELP 添加 3D 金属图案。

研究团队制造了各种具有复杂拓扑结构的零件，以展示所提出技术的制造能力。这些部件具有复杂的结构，具有多材料嵌套层，包括微孔和微小的中空结构，其中最小的尺寸为 40 μm。而且，这些部件上的金属纹路非常特殊，可以精确控制。该团队还制造了具有复杂金属拓扑结构的 3D 电路板，例如带镍的 LED 立体电路和带铜的双面 3D 电路。

Umezu、Song 和 Sato 表示：“使用 MM-DLP3DP 工艺，可以制造具有特定金属图案的任意复杂的金属-塑料 3D 部件。此外，使用活性前体选择性地诱导金属沉积可以提供更高质量的金属涂层。总之，这些因素有助于开发高度集成和可定制的 3D 微电子产品。“

展望●与传统工艺相比，这种新技术允许传感器和待测物体的集成制造，从而避免了由组装引起的测量误差和复杂工艺。

●随着更专业的光固化树脂的出现，制造具有独特性能的3D结构应该是可能的。

●此外，多种金属（包括镍、钴、铜、金、银和铂）可能通过活性前体诱导电镀的方式沉积成目标图案。这种工艺能够实现各种复合材料的3D嵌套，因此具有有前途的应用，特别是MEMS、传感器和机器人、可穿戴设备和3D精密电子设备等应用领域。

审核编辑 ：李倩