鉴于此，新加坡国立大学Benjamin C. K. Tee与John S. Ho团队展示了Field金属（一种熔点相对较低的共晶合金）可以通过喷嘴中的熔融金属与打印部件前缘之间的张力进行3D打印，从而可以直接写入3D结构。张力的使用避免了使用外部压力进行挤压（这可能会导致打印结构出现成珠），从而允许以高达100 mm s−1的速度在各种基材上打印均匀且光滑的微线结构。他们使用该方法打印各种独立的3D结构，包括垂直字母、立方框架和可扩展的螺旋，无需进行后处理，所得Field的金属结构可以提供2 × 104 S cm−1的电导率，自组装愈合能力和可回收性。他们还使用该技术打印用于可穿戴式无电池温度传感的3D电路、用于无线生命体征监测的半球形螺旋天线以及用于电磁波操纵的3D超材料。相关研究成果以题为《Tension-driven three-dimensional printing of free-standing Field’s metal structures》发表在最新一期《Nature Electronics》上，第一作者为新加坡国立大学博士后凌少华，南方科技大学2018年本科毕业生。
【金属的张力驱动导电高深宽比金属 3D 打印】
CHARM3D打印系统如图1a所示，由一个集成加热器的商用打印头和一个四轴微型定位平台组成。该系统可以在x、y和z轴上移动，并在x-y平面上旋转。与依赖气动压力控制器或机械泵的传统3D打印机不同，该系统在运行时墨水筒对空气开放，依靠张力和剪切力驱动熔融金属。作者对比了压力驱动的直接墨水书写(DIW)和张力驱动的CHARM3D（图1b），其中压力驱动的直接墨水书写(DIW)是由于施加的压力使熔融金属的氧化皮破裂而发生成珠，而张力驱动的CHARM3D无需外部压力即可打印连续、光滑的导线。图1c展示了CHARM3D方法生产均匀的金属线，与压力驱动DIW产生的串珠结构进行比较。喷嘴内径(ID)、打印头温度和打印速度均会影响平面2D打印分辨率的参数（图1d）。线宽可在100至300 μm之间调节，最佳打印速度在10至100 mm/s之间，以避免堵塞或振动。图1e说明了CHARM3D无需支撑即可打印独立式3D结构（例如立方体框架）的能力，展示了打印金属结构的刚性、稳定性和导电性。图1f提供了在各种基材上打印的独立3D结构的示例，突出了该技术的多功能性。
图 1. Field金属的导电高宽比 3D 打印
【打印独立式 3D 结构】
CHARM3D 技术允许创建独立的 3D 结构，无需支撑材料。这是通过在喷嘴尖端处附着少量金属残留物来开始打印来实现的，这些金属残留物粘附在基材上。当喷嘴移动时，它会拉动熔融金属，熔融金属在冷却后立即凝固，形成稳定的结构。该技术可以创建复杂的设计，例如直立字母、立方体框架和可扩展的螺旋结构（图2）。印刷结构实现了高纵横比、优异的结构保持力和2×104 S cm−1的电导率。它们还具有自愈能力，这对于电子应用的长期可靠性至关重要。打印过程涉及用少量熔融金属启动喷嘴以润湿管子。一旦启动，喷嘴可以长期重复使用而不会堵塞。张力驱动方法允许连续打印熔融金属丝，这些金属丝在挤出后立即固化，无需外部支撑材料。
图 2.自支撑3D金属结构的CHARM3D
【CHARM3D 的热物理】
CHARM3D的热物理原理对其成功至关重要。Field金属具有高表面张力和低粘度，有利于创建均匀的金属线。Field金属在室温下的快速凝固支持独立结构的形成，而无需额外的支撑。使用张力而不是压力可确保氧化皮保持完整，防止形成水珠并确保熔融金属的平稳、连续流动。
图 3.打印过程中热和力学的数值分析
【印刷自修复和 3D 电子产品】
利用CHARM3D打印的field金属结构具有自修复特性。当打印结构受损时，只需施加少量热量，金属就能重新熔化并自我修复，从而恢复导电性。这种特性对于灵活性和耐用性至关重要的可穿戴电子设备尤为重要。此外，该技术能够打印 3D 电路，从而能够开发出外形紧凑、功能增强的先进电子设备。例如，本文演示了用于可穿戴式无电池温度传感的 3D 印刷电路。该电路可以集成到衣服或其他可穿戴物品中，无需外部电源即可提供连续监控。
图 4.打印的自愈合和3D电子
【3D打印天线】
3D 打印天线是 CHARM3D 的另一个有前景的应用。打印独立式复杂 3D 形状的能力允许创建具有改进的方向性和灵敏度的天线。该文章展示了一种专为无线生命体征监测而设计的半球形螺旋天线。与传统的 2D 螺旋天线相比，该天线具有更小的外形尺寸和更好的性能，使其成为非接触式健康监测应用的理想选择。
图 5. 用于无线生命体征监测的 3D 打印天线
【3D 打印超材料】
本文还探讨了使用CHARM3D制造3D电磁带隙(EBG)超材料。这些材料可以操纵电磁波，抑制不需要的相互作用，并增强天线阵列的性能。通过精确控制尺寸和几何形状打印复杂3D结构的能力为设计具有定制电磁特性的先进超材料开辟了新的可能性。
图 6. 独立式 3D 超材料
【总结】
本文描述的张力驱动3D打印技术代表了增材制造领域的重大进步。通过利用Field金属的独特特性和张力驱动方法，作者开发了一种创建高纵横比、独立式3D金属结构的方法，该结构具有出色的导电性和自愈能力。该技术在电子领域有着广泛的应用，包括3D电路、天线和超材料，并为传统压力驱动DIW方法提供了一种有前景的替代方案。总的来说，本文中的图表详细介绍了CHARM3D的功能和优势。从打印系统的设计到打印参数的探索以及各种打印结构的演示，这些图说明了这种创新技术改变3D打印和电子设备制造领域的潜力。
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