211service.com
Ett batteri och ett bioniskt öra: en hint om 3D-utskrifts löfte
Dagens 3D-skrivare kan i allmänhet bara bygga saker av en typ av material - vanligtvis en plast eller, i vissa dyra industriella versioner av maskinerna, en metall. De kan inte bygga objekt med elektroniska, optiska eller någon form av funktioner som kräver integration av flera material. Men de senaste framstegen i forskningslabbet – inklusive ett 3-D-utskrivet batteri och ett bioniskt öra – tyder på att detta snart kan förändras.
Power bläck: Denna svepelektronmikroskopbild visar ett 3-D-tryckt litiumjonbatteri. Små munstycken avsätter anod- och katodbläck i den exakta arkitekturen. Den tryckta produkten som visas här är ungefär en millimeter på varje sida och en halv millimeter hög. Efter utskrift sintras och förpackas elektroderna.
Förra månaden avslöjade forskare vad de säger är världens första 3D-utskrivna batteri, tillverkat av två olika elektrodbläck. Ledd av Jennifer Lewis , professor i biologiskt inspirerad ingenjörskonst vid Harvard, använde gruppen små munstycken för att exakt deponera anod- och katodbläcket, som innehåller nanopartiklar av litiumtitanoxid respektive litiumjärnfosfat. I en papper i Avancerade material , beskrev forskarna utskrift av laddningsbara batterier i millimeterskala, som kan användas för att driva saker som små trådlösa sensorer och medicinsk utrustning. Batterierna, som var och en kan skrivas ut på några minuter, visade imponerande elektrokemisk prestanda.
Lager på lager: Denna optiska bild visar ett munstycke med en diameter på 30 mikrometer som avsätter lager av elektrodbläck.
Lewis grupp har utvecklat material och anpassad skrivarteknik – inklusive ett munstycke som kan skriva ut funktioner så små som en mikrometer – som behövs för att skriva ut flera olika typer av funktionella komponenter förutom batterier, inklusive elektroder och antenner gjorda av bläck som innehåller metalliska nanopartiklar och optiska strukturer gjorda av fotohärdbara hartser. Nu när hon och hennes kollegor har byggt en palett av funktionella bläck (hennes grupp har åtta patent) för digital utskrift av både 2-D och 3-D komponenter, är nästa steg att försöka göra integrerad elektronik, säger Lewis.
Medan det kan ta många år innan något så komplicerat som en smartphone kommer att kunna skrivas ut, kanske vissa 3D-tryckta elektroniska produkter inte är alltför långt borta. Ta hörapparater till exempel, säger Lewis. Företag trycker redan plastskalet som sitter i bärarens öronhåla. De elektroniska komponenterna monteras separat och enheterna använder små batterier som måste bytas ungefär var sjunde dag. Tänk om man kunde 3-D-printa hela hörapparaten, säger Lewis. Vi kan trycka på böjda ytor. De elektriska komponenterna, och ett laddningsbart batteri som det som hennes grupp just demonstrerade, kunde således läggas till i plastskalet.
Möjligheter som är resultatet av förmågan att exakt deponera elektroniskt eller optiskt material i 3D-tryckta objekt är inte begränsade till konsumentelektronik. I maj forskare vid Princeton rapporterad med hjälp av en 3D-skrivare från hyllan för att producera ett datordesignat öra gjort av äkta vävnad med sammanvävd elektronik, inklusive en spiralantenn och elektroder som består av en ledande polymer infunderad med silvernanopartiklar. För att skriva ut vävnad sådde forskarna en geléliknande matris med bovina celler. Matrisen gav det tryckta örat dess form när cellerna utvecklades till brosk.
Forskarna medger att örat, som kan upptäcka radiofrekvenser, främst fungerar som en demonstration. Men det är ändå det första exemplet på denna typ av integration av biologisk vävnad och elektronik, och föreslår en ny additiv tillverkningsbaserad metod för vävnadsteknik.
Det 3-D-tryckta örat och Lewis batteri – båda tillverkade med skrivare som extruderar material genom ett munstycke – öppnar ett fönster till potentialen för additiv tillverkning för att göra saker med mer än en funktion, säger Richard Hague , direktör för EPSRC Center for Innovative Manufacturing in Additive Manufacturing vid University of Nottingham.
Men, säger Hague, om 3-D-utskrift ska få genomslag i en robust tillverkningskänsla på lång sikt, kommer det mer sannolikt att ske genom andra utskriftsteknologier – till exempel avancerade maskiner som använder skrivhuvuden som de i konventionella bläckstråleskrivare . Forskningen vid hans centrum är inriktad på att övervinna de betydande materialrelaterade hindren för att skriva ut ledande material på detta sätt.
För nu undersöker Lewiss grupp sätt att kommersialisera sina extruderingsbaserade skrivare, som kan skriva ut funktionellt bläck genom munstycken så små som 100 nanometer och kan utrustas med skrivhuvuden som kan deponera bläck från flera större munstycken samtidigt. Jag tror att det finns en väg för att tillverka anpassade komponenter, säger hon. Det är åtminstone vår vision.