电路制造领域突破性技术！早稻田大学研究人员3D打印复杂的金属塑料复合结构

2022年12月3日，南极熊获悉，来自日本和新加坡的研究人员已经开发出一种新的3D打印技术，可以在3D塑料结构的外部和内部表面创建精确的图案。近年来，由于其在下一代电子产品制造中的巨大潜力，人们对在塑料部件上3D打印金属图案的研究兴趣成倍增长。现在，研究人员已经开发出一种新的3D打印工艺，用于制造具有复杂形状的3D金属塑料复合结构。

△使用新技术制备的 3D 金属-塑料复合材料的示例。资料来源：早稻田大学

这项研究已经以题为“用于在 3D 塑料结构的外表面甚至内表面精确制造任意金属图案的新型金属-塑料混合增材制造/New Metal–Plastic HybridAdditive Manufacturing for Precise Fabrication of Arbitrary Metal Patterns onExternal and Even Internal Surfaces of 3D Plastic Structures”的论文被发表在 ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c10617

三维金属塑料复合结构在智能电子、微/纳米传感、物联网（IoT）设备，甚至是量子计算方面具有广泛的潜在适用性。使用这些结构建造的设备有更高的设计自由度，可以有更复杂的功能，复杂的几何形状，以及越来越小的尺寸。然而，目前制造这种部件的方法既昂贵又复杂。

为此，研究人员开发了一种新的多材料数字光处理3D打印（MM-DLP3DP）工艺，以制造具有任意复杂形状的金属塑料复合结构。负责该项研究的主要作者日本早稻田大学的Shinjiro Umezu教授、Kewei Song先生和新加坡南洋理工大学的Hirotaka Sato教授在解释这项研究背后的动机时说："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随之发展。虽然现有技术可以制造3D电路，但堆叠平面电路仍然是一个活跃的研究领域。我们希望解决这个问题，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工艺是一个多步骤的过程，首先是制备活性前体--在3D打印后可转化为所需化学品的化学品，因为所需化学设备被用来制造含有树脂或活性前体的嵌套区域的微结构。最后，这些材品本身不能被3D打印。在这里，钯离子被添加到光固化树脂中以制备活性前体。这样做是为了促进无电解镀（ELP），一个描述金属离子在水溶液中自动催化还原以形成金属涂层的过程。接下来，MM-DL3DP料被直接电镀，并使用ELP将3D金属图案添加到其中。

△研究人员3D打印复杂的金属塑料复合结构，在三维塑料结构的表面创建精确的图案。来源：早稻田大学

研究小组制造了各种具有复杂拓扑结构的零件，以证明所提出的技术的制造能力。这些零件具有多材料嵌套层的复杂结构，包括微孔和微小的中空结构，其中最小的结构尺寸为40μm。这些部件上的金属图案非常具体，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，如使用镍的LED立体电路和使用铜的双面3D电路。

研究人员说："使用MM-DLP3DP工艺，可以制造出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。这些因素加在一起，可以促进高度集成和可定制的3D微电子的发展。"

新的制造工艺有望成为电路制造的一项突破性技术，可应用于各种不同的技术，包括三维电子、超材料、柔性可穿戴设备和金属空心电极。