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3D列印噴嘴上下移動—電池出現!

2015年09月29日  | Steve Taranovich

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3維列印(3D Printing)技術在1980年代末期就已出現—第一項專利「立體光刻(stereo lithography)於1986年發佈。當時被稱為快速成型,因為它主要被視為產品開發製造原型的快捷方式。


隨時間流逝,可用於3D列印物質的數量增加。每個設計需要不同的方法:直接金屬雷射燒結(DMLS)製程,舉例來說,使用一個高功率200瓦(W)摻鐿光纖(Yb-fiber)結合光纖雷射與金屬粉末的合金,如不鏽鋼、鈷鉻(cobalt chromium)、鉻鎳鐵合金(Inconel)和鈦(titanium),由薄如20微米的每一層來建立一個物件。對於熱塑性塑料(thermoplastics),熔融沉積成型(FDM),也稱為熔融長絲製造(FFF)使用一個塑料長絲送入加熱噴嘴,將長絲融化並熔融材料的小扁平串,以建立物件的連續層。


最近,導電油墨和成本較低印表機的發展開闢了新應用,如印刷電路板和其他電子組件,包括電池。為迅速擴大的領域如穿戴式電子,開發更有效的電力儲存是高度優先的考量,因此有幾個團隊正運用3D列印技術在微小(Micro)與巨集(Macro)的層面上製作合適的電池。


2013年,在哈佛(Harvard)和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign),並由Jennifer Lewis博士領導的團隊,成功創造一個由3D列印製造、體積小如一顆沙粒的鋰離子電池。


3D列印而來的微電池。(圖片來源:哈佛大學)
3D列印而來的微電池。(圖片來源:哈佛大學)

科學家開發用於陽極與陰極的專用導電油墨,每一個都包含不同鋰金屬氧化物化合物的奈米粒子,該小組還開發了一個3D印表機,可以透過極窄的噴嘴擠出油墨。油墨交錯凝固,且超薄疊層電極小於人類頭髮的寬度:電極組件測量為960×800微米,電極寬度為60微米、間距是50微米。


潛在應用包括醫療植入物,甚至微型昆蟲大小的機器人,即將出現在你身邊,毫無疑問地。


展望2015年,許多初創公司往往透過向大眾募集資金的方式,如Kickstarter,開發低成本、適合電子應用的3D列印機。此外,3D列印機可使用的新材料也正持續開發中,值得注意的是,包括石墨烯(Graphene),一個2D碳原子薄片結合在一起的蜂巢格子圖案,將有許多非凡的特性和廣闊的應用前景,如電池。


石墨烯3D實驗室(Graphene 3D Lab)正在研發一系列導電細絲,結合石墨烯奈米片,即可用於生產任何形狀與大小的3D列印電池,並可讓它們易於和各種裝備整合,或者是當它在製造時,可直接印刷成裝置的一部份結構。


3D列印電池的構造。(圖片來源:Graphene 3D Lab )
3D列印電池的構造。(圖片來源:Graphene 3D Lab )

一個標準FFF製程被用來建構電池結構,包括連接器;當透過電解質啟動時,店化學反應會讓電池產生電壓。目前的製程方式要求每個部件須單獨印刷,但適合多種材料的列印機正由幾家公司進行開中。


未來,幾年過去後,3D列印可能會徹底改變我們購物的方式;針對許多項目,零售商將簡單直接傳送設計文件到3D列印機,從而在製造過程中就可移動到或接近購買點。





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