随着社会的发展以及科学技术的不断进步，金属3D打印技术以其材料利用率高以及制造周期短，灵活性高等特点迅速在金属制造业中占据了重要的地位。

金属3D打印技术作为工业制造最具发展前景的应用技术之一，不仅改变了传统制造产业的模式，也极大地推动了创新领域的发展。金属3D打印技术以其独特的技术优势，为模具行业降本、提质、增效带来了革命性的发展新方向。

金属3D打印技术可以打印一些体积小结构复杂且高精密的金属零件，所以该技术对提高整个工业生产的质量和效率起着关键的作用，改善了金属零件制造的现状，在制造金属零件的过程中提供了更多的可能性，促进了金属制造业的发展。

金属3D打印-化整为零

3D打印是制造业热门技术，应用范围极广。它既可以打印塑料、陶瓷等非金属材料，也可以打印钢铁、铝合金、钛合金、高温合金等金属材料，以及复合材料、生物材料甚至是生命材料，成形尺寸从微纳米元器件到10米以上大型航空结构件，为现代制造业发展及传统制造业升级转型提供了巨大契机。时至今日，人们发明了光固化、粉末烧结、丝材累加等3D打印技术。这3种技术分别利用激光扫描液态光敏树脂表面，使之固化，或者高能束扫描材料粉末，使之烧结，或者采用热/电弧/高能束熔融丝材按照图形剖面铺设等方法，在剖面上一层层累加，制成三维实体零件。

随着制造业的发展和不断升级，航天航空、汽车等领域对产品的轻量化需求不断增加，同时也产品的性能、异形结构提出了更高的要求。在这些领域的大型产品制造过程中，最终部件或子组件的装配是一个不容忽视的重要环节。就飞机而言，在零件组装中一个零件的装配错误就会导致不良风险，甚至带来灭顶之灾。而利用传统制造技术进行生产，就需要付出大量的时间、设备、人力和质量控制，增加了制造成本负担，且不能满足所有复杂异形结构设计，具有很大的局限性。因此，企业需要一个高效、创新、满足复杂化设计需求的方法来减少工序环节，降低成本和避免风险，达到提质增效的目的。

当传统制造技术无法满足要求时，3D打印的集成化结构设计开辟了一条全新的道路，为3D打印技术释放了无限潜力。3D打印拥有无模化和对制造成本对设计的复杂性不敏感两大优势，可以将原本多个构件组合的零件化零为整，进行集成化打印，且无须任何机械加工或任何模具，这样不仅实现了零件的整体化结构，避免了原始多个零件组合时存在的连接结构（法兰、焊缝等），也可以帮助设计者突破束缚实现功能最优化设计，使企业能够更好更快地实现各类定制零件的生产制造。

一种新型金属3D纳米打印！有望用于芯片制造

背景介绍

随着微纳光学、微电子等领域的蓬勃发展，与之相应的微纳制造技术的创新具有战略重要性，国际上非常重视其创新研发，器件小型化、智能化、高集成、高密度和信息超快传输是未来的发展方向，在解决对应关键科学问题“材料本征特性+微纳三维加工技术”的基础上，创建程控化的绿色微纳制造系统具有战略意义。

区别于平面工艺无法进行纳米尺度的三维加工，微纳3D金属打印可直接构筑复杂的三维金属结构，为新一代微纳器件的研制提供了全新可能。为使材料多样化和功能化，3D打印必须在材料、精度、尺度和速度等方面相得益彰，传统方法难当重任：特定机型打印的材料有限，多光子激发也只能实现0.1~5 μm的分辨率，且受光敏材料和复杂的显影/定影等加工过程限制，以及加工纯度低等难题。

追风逐电的法拉第3D打印

上海科技大学冯继成课题组最新开发的“法拉第3D打印”则是一种微纳加工的新范式：纳米精度+三维特性+并行阵列加工，该工作驾驭阵列排布的电力线纳米画笔和与之垂直的流场，巧妙的实现了耦合场的控制，将金属带电纳米粒子定点组装成三维纳米结构阵列。由于构建块极小（几个原子到几纳米），打印的结构均匀度高且结构性能好；因为带电粒子的运动只与电荷数和尺寸有关，只要精确控制这两个参数，可实现任意材料的打印。有别于光刻受到光源波长尺寸下限的限制，电力线画笔的尺寸不受任何限制，因此可将特征尺寸控制到原子尺度范围，加之其阵列化并行打印的能力，有望成为微纳增材制造领域的突破者。

研究亮点

上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组提出了法拉第3D打印的程控化控制，依据电力线守恒，通过控制三个平行极板的电势和间隙实现了电力线画笔的粗细调控，建立了三极板电势与打印纳米结构特征尺寸的关系。

对于空间电场构型的控制，以前的工作主要依赖于气体离子沉积后所形成的偶极子电场与外加电场对抗，但是气体离子形成的微电场往往不稳定且不可控，容易对打印造成干扰和破坏，另外，此电场对抗而成的电力线构型无法实现更复杂、更大高宽比结构的打印。

上海科技大学冯继成课题组提出了使用类似“电饭煲蒸笼”模型的三块平行极板进行3D打印，上下极板的电力线通过中间极板的阵列化孔洞，由电力线守恒实现孔洞板附近电力线收束的精确控制。这种新的电场构建方式只需调控各极板的电势大小即可精确控制打印纳米结构的特征尺寸；此外，通过纳米移动台的程控化移动，可实现电力线画笔描画任意几何形状的纳米结构；这为数字化，程控化微纳金属3D打印设备提供了实用性和商业化基础。

其相关研究成果以题为“Programmable and Parallel 3D Nanoprinting Using Configured Electric Fields”发表于Advanced Functional Materials。

“法拉第3D打印”使用电场控制带电纳米颗粒进行定点组装打印，其工作于常温常压，整个流程无需有机试剂和昂贵气体，打印位于纯气相环境，材料纯净无污染，完成一次打印耗能仅需1 W，节能且环保，是一种极具经济价值的打印技术，而其本身具有的多材料、小尺寸、大面积阵列化打印优势更是让其促升为微纳3D打印领域的佼佼者。本文摒弃了光刻胶紧贴基底的打印方式，使用悬浮的带电掩膜进行移动式打印，拓展了“法拉第3D打印”的灵活度和实用范围；并从“法拉第3D打印”的原理出发，提供了一套精确控制打印尺寸的方法，为此技术的产品化和商业化铺平了道路。

未来，冯继成课题组将继续开发和优化“法拉第3D打印”系统，提高此技术的集成化和自动化，研制可商业化的“法拉第3D打印机”，并期望其应用于芯片制造领域，加速中国集成电路和芯片制造技术的突破和发展。