Промышленное производство перешло от традиционной ковки и резки к трёхмерной 3D-печати, которая явилась революционной технологией, расширившей возможности человеческого воображения. Благодаря этому изобретению стало возможно создавать изделия сложной формы и замысловатые конструкции в единичных экземплярах с минимальными затратами. Эти возможности сделали эти технологические устройства краеугольным камнем интеллектуального адаптивного производства. Однако традиционные технологии изготовления могут сталкиваться с узкими местами, которые серьёзно ограничивают их использование при печати различными материалами в различной окружающей среде и последующей обработке. Таким образом, адаптация существующих методов 3D-печати для создания целевых функциональных компонентов, для различных рабочих сред, требует значительных корректировок. Являясь высокоадаптируемыми «красками» для 3D-печати, жидкие металлы (LM – liquid metals) открывают широкие возможности для решения подобных задач благодаря своим универсальным свойствам, таким как текучесть, электропроводность, лёгкость перехода из твёрдого состояния в жидкое и многому другому.
Несмотря на то, что все больше усилий прилагается к печати металлами на различных носителях, до сих пор не предложено обобщённой методологии или концепции, объединяющей все технологии 3D-печати металлосодержащими составами. Но недавно была представлена единая концепция, получившая название «Пан-медиа жидкометаллическая 3D-печать» («pan-media liquid metal 3D printing»), и позволяющая изготавливать индивидуальные устройства для конечных пользователей по их заказу. Эта технология позволяет выполнять печать любыми чернилами и в любой рабочей среде, от газов и жидкостей до мягких материалов, биотканей и жёстких материалов, что выходит за рамки традиционных условий. В частности, с намеренно введённой физической или химической обработкой жидкометаллических чернил эта разновидность 3D-печати может достичь гораздо более широкого спектра создания объёмных объектов с расширенными целевыми функциями, по сравнению с существующими подходами.
Внедрение теории 3D-печати на всех носителях значительно расширяет ассортимент материалов и красок для печати, не только металлами с низкой температурой плавления (LMPM), но и с высокой (HMPM), неметаллах и многокомпонентных материалах. Жидкометаллические материалы, особенно чистые (сюда можно также включить сплавы на основе галлия и сплавы на основе висмута), продемонстрировали уникальные преимущества, благодаря быстрому охлаждению, затвердеванию и послойной укладке, что облегчает изготовление сложных 3D-структур. Для производства изделий из высокотемпературных металлов (например, титана, алюминия или стали) обычно требуется достаточно мощный источник энергии для расплавления металла, что требует длительной последующей обработки и строго контролируемой среды печати. Тем временем исследователи создают серию функциональных композитов, смешивая металлические частицы (например, железо или медь) с неметаллическими (например, графен или углеродные нанотрубки), чтобы улучшить их контролируемые реологические свойства и структурную стабильность. Кроме того, можно создать серию функциональных многокомпонентных материалов, смешивая металлы или неметаллы (даже полимеры) с жидкометаллическими LM-красками для улучшения разрешения и точности форм. В целом, область применения печатных красок может быть расширена с низкотемпературных на высокотемпературные металлы, композитные и многокомпонентные материалы с их уникальными свойствами текучести и фазового перехода во время печати, которые влияют на физические и химические свойства различных сред, тем самым влияя на формирование 3D-объектов.
В отличие от обычных процессов 3D-печати, ограниченных определёнными носителями, новые формулы позволяют осуществлять универсальную 3D-печать на носителях в широком спектре сред, от газообразных и жидких фаз до мягких веществ, биологических организмов и даже жёстких материалов. Эта стратегия открывает новые горизонты в аддитивном производстве, позволяя изготавливать сложные структуры и функциональные устройства с помощью нетрадиционных настроек на серверах для высоконагруженных приложений. Многие газы играют роль, которая влияет на процесс печати и выход продукции. На воздухе оксидные слои будут формироваться снаружи жидких металлов, создавая полупроводниковые свойства, способствуя адгезии и сборке структур. Это особенно важно для жидкометаллических композитов, где частицы разделены полимерной плёнкой, а методы спекания, такие как лазерная, химическая обработка или механическое сжатие, обычно требуются для восстановления электропроводности. Газообразный азот помогает предотвратить окисление в процессе печати. Кроме того, взаимодействие газов, богатых азотом, таких как аммиак или чистый азот, с галлием (Ga), способствует получению нитрида галлия (GaN), который полезен для различных полупроводниковых применений.
Для жидких сред это поможет в управлении температурой, что позволит быстро охладить поверхность напечатанного слоя и уменьшить накопление тепла, что улучшит структурную точность. В то же время, жидкая среда с низким содержанием кислорода, поможет предотвратить дальнейшее окисление металлов. А добавление специальных компонентов, таких как кислоты или щелочи, в растворы может полностью удалить поверхностно-активные вещества и оксиды, регулирующие поверхностное натяжение металла. Эти функции позволяют точно управлять процессом печати, что потенциально расширяет возможности биологического (медицинского) применения жидкометаллической 3D-печати в гибкой электронике, биомедицинских устройствах и многом другом.
Что касается мягких материалов, то механическая прочность является критическим фактором в преодолении гравитационных ограничений и напрямую влияет на способность поддерживать точные и сложные объёмные структуры. Эластичность мягкого материала определяет его деформируемость под действием веса металлических конструкций, которые должны быть тщательно сбалансированы, чтобы обеспечить достаточную поддержку и при этом обеспечить контролируемое перемещение печатающего сопла. Кроме того, мягкие среды обеспечивают стратегию инкапсуляции в естественной среде для LM устройств, где смешивание акриламида с наноглиной (монтмориллонит) и использование методов фотоинициации или термической обработки позволяют быстро отверждать гидрогелевую матрицу для эффективной фиксации.
Кроме того, 3D-печать металлами на органических носителях является новой технологией во многих биоприложениях, таких как печать «in vivo» или имплантируемая электроника. Традиционные методики создавали уникальные проблемы из-за присущей этим средам сложности. Биологические ткани обычно проявляют нелинейное и анизотропное упругое поведение, что существенно влияет на распределение печатного материала и характер напряжений на границе раздела металл-ткань. Эта механическая сложность влияет как на первоначальное размещение, так и на долгосрочную стабильность печатных структур. Для повышения стабильности и производительности используют коаксиальную печать для герметизации металлической базы устройств силиконовой резиной.
Для жёстких материалов новый тип 3D-печати создаёт, как проблемы, так и возможности, в первую очередь за счёт физической адгезии и заполнения, либо химических реакций на поверхности раздела фаз. Поверхностная энергия твёрдых подложек, определяемая химическим составом и микроструктурой, существенно влияет на смачиваемость наносимого металла, а такие виды обработки поверхности, как плазменная обработка или нанесение PMA-покрытия (полимером полиметилакрилат), эффективно снижают поверхностную энергию, облегчая процесс печати.
Примечательно, что межфазные химические реакции между металлами на основе Ga и такими металлами, как алюминий, золото и серебро, обеспечивают новый подход к 3D-печати металлами на твёрдых носителях. Образование интерметаллических соединений на этих поверхностях позволяет точно контролировать морфологию поверхности, открывая новые возможности для применения передовых технологий производства. В частности, некоторые органические твёрдые материалы, такие как почва или специально утрамбованный грунт, также могут служить в качестве поддерживающей среды для 3D-печати, предлагая многообещающий путь для быстрого изготовления крупномасштабных металлических компонентов.
Оптимизация LM-принтеров имеет решающее значение для регулировки свойств печатного материала, регулирования печатных платформ, подложек, повышения эффективности печати и программного проектирования структур. Поэтому будущие жидкометаллические 3D-принтеры будут развиваться в направлении конструирования устройства на месте, с системой необходимых печатающих головок и блоками управления, разработанными для удовлетворения целевых требований печати, чтобы открыть эру, в которой границы среды больше не ограничивают её управление. Выбор различных печатных материалов и носителей из-за их различных физических и химических свойств требует различных подходов к печати и этапов постобработки в процессе изготовления, в конечном итоге создавая индивидуальные устройства для конечного пользователя. В них будет учитываться соответствие уникальных свойств различных носителей и физические характеристики применяемых металлов, включая такие факторы, как температура плавления, реология и электропроводность.
