【液态金属“墨水”给3D打印“通上电”】在清华大学医学微系统技术实验室宽大的操作台上,摆放着两个大烧杯。其中一个烧杯盛着乳白色的高分子涂料——PMA glue,另一个装满泛着银光的液态金属镓铟合金。

实验人员操作机械臂,将尼龙材质的东方明珠塔模型缓缓浸入高分子涂料中再缓缓提起,随后,用同样的手法将模型放进镓铟合金中再拿出。前后约15秒钟,东方明珠塔模型就身披银装,完成了一次液态金属墨水的3D打印过程。

“以往的塑料或聚合物类3D打印结构件不具备电子功能,因而无法满足现实中对某些特殊功能的需求。”清华大学教授、中科院理化所研究员刘静对《中国科学报》说,“这项工作相当于为传统的3D打印赋予了特定功能,在实际应用中有重要意义。”

液态金属邂逅3D打印

增材制造(3D打印)不需要传统工具及繁琐的加工程序,能完美解决复杂零件加工成型问题,因此在航空航天、文物保护、医疗健康等领域崭露头角。

另一方面,多功能电子器件或系统大多是三维立体结构,其组成单元则由各种金属或非金属电子材料构筑而成。以增材制造手段直接层叠式打印出立体终端电子产品,一直是学术界和工业界无法解决的难题。

“传统的3D打印主要基于塑料、聚合物一类的材料,由此打印出的物件一般并不具备电子功能。”刘静说,“而经典的金属3D打印针对的是高熔点金属粉末或线材,它们与非金属材料由于存在巨大熔点差而难以实现复合打印。”

近年来,随着液态金属印刷电子学的发展,以低熔点金属镓为基础的室温液态金属合金材料逐渐进入人们视野,在柔性电子、二维材料制备、智能机器等领域都得到广泛的研究和应用。

刘静团队长期从事液态金属相关研究,在液态金属二维电子材料制备方面有丰厚的积累。看到3D打印电子设备存在的局限性,他隐约意识到,在立体电子制造领域,液态金属有可能发挥独特作用。

为实现这一构想,刘静团队对液态金属功能材料进行改造,并结合3D打印技术,开发出一种基于液态金属选择粘附性的3D电路转印技术。在这项研究中,他们首先利用3D打印工艺制作出一系列复杂的立体结构,并在这种立体结构表面,覆盖对液态金属材料具有较高粘附性的高分子涂层,然后将这种立体结构浸润到液态金属中,从而实现液态金属在立体结构表面的附着。

近日,相关研究https://t.cn/A6xVM5Lb在国际期刊《今日应用材料》上发表。该论文审稿专家评论说:“(该团队)在可重构3D电子设备、可逆刚度机器人和可拉伸电子设备的制造方案演示,说明这一方法具有广泛适用性。这项工作描述得很好,很扎实,代表了最先进的3D功能设备技术的重大进步。”

让液态金属“站起来”

液态金属是一类低熔点的合金材料,可以在室温环境中保持液体形态。

虽然液态金属有可能在三维立体电路制备中大显身手,但目前大多数工艺采用“流道灌注”方式,将液态金属封装在三维模型中。

“在这些研究中,液态金属仅充当导电介质,无法展示出液态金属独特的界面性能在三维立体电路中的应用。”该论文第一作者、清华大学博士国瑞告诉《中国科学报》。

该团队在实验中发现,用于3D打印的液态金属——镓铟合金在室温下受重力影响,难以稳定地附着在立体结构表面。而要在实际中应用该技术,必须让液态金属在3D打印时能稳定地“站起来”。

“我们在研究中发现,3D打印工艺制作的立体结构是由颗粒熔融堆积而成,因此具有粗糙的表面形貌,这种粗糙的表面使得液态金属难以附着。”国瑞说。

经多次实验,研究人员发现,通过事先将具有较高粘附性的高分子涂层涂抹在3D打印器件上的方法,可以将镓铟合金材料“黏”在打印器件上。同时,对镓铟合金进行特殊处理,在降低其流动性的同时,提高其黏附性,从而可以让其稳定维持在立体结构表面。

基于上述原理,研究人员实现了对复杂结构立体电路的转印制备。

“这种镓铟合金的外形,取决于高分子层涂敷的形状、图案和部位。”刘静说,“借助机器或手工,很容易实现各种镓铟合金图案、花纹的印制。”

比如,用3D打印出任意形状的器具后,可借助特定笔刷或机器手,将高分子涂层绘制到物体表面,然后就能轻松将镓铟合金转印上去,而且整个过程简单快捷。

激活3D打印应用

在实验室一侧的陈列柜上,摆放着十几种不同材质的器件,转印上镓铟合金的样品。其中有塑料材质的思想者雕像、木质的小人、聚乙烯小球、金字塔模型、菜园里摘下的葫芦、甚至各种纺织品。

“这种经过改良的镓铟合金具有极佳的适形性。”国瑞说,“不管什么材质、或任何奇形怪状的三维打印物品,只要在其表面提前涂抹特殊的高分子涂层,镓铟合金都会均匀沉积,并牢牢黏附其上。”

此外,附着在立体结构表面的液态金属涂层还可以与周围的液态金属涂层形成“液桥”,从而实现金属焊接的效果。

“利用这种现象,将相同尺寸的立体结构单元进行堆积组合,可以构建出更复杂的立体结构。而且,各单元之间的液态金属涂层可形成稳定的导电通路,实现可组装的立体电路。”

刘静一边介绍,一边将展示柜上一个金字塔模型的电路接通。随即,一排连接在镓铟合金电路上的LED灯珠闪起了绿光。

这种“高分子涂层+液态金属”的结构可通过适当封装,增强其稳定性。因为镓铟合金涂层很薄,封装后的镓铟合金不仅不会出现泄漏和流淌,还能满足一些柔性物品的特殊要求,在保持电子性能的同时适应改变形状。

“当然,如果电子设备需要一定强度,还可以采用不同熔点的液态金属墨水,实现印刷后即固化。”刘静补充说,“将液态金属涂层覆盖在柔性硅胶结构表面,还可利用液态金属材料在不同温度下的相变特性,实现立体结构可调控的力学性能。”

“从安全性上看,此类材料在环境下很难蒸发。如果没有大剂量皮肤接触、吞咽、停留体内等情况,使用起来是比较安全的。”国瑞补充说。

液态金属3D打印技术将机械制造和电子制造巧妙地结合在一起,而且制造过程便捷、成本低廉,具有较高的个性化特点,因此有望在艺术设计、文化创意、消费电子、甚至大中小学电子工程教育普及方面得到广泛应用。

“除本身的电子工程学意义外,这项研究为三维立体功能电子器件快速制造,提供了一种重要且易于规模化普及的实用技术。”刘静说,“该技术具有非常强的实用性,有望赋能3D打印行业,推动传统3D打印的可持续健康发展,有望激发3D打印行业活力,促成其规模化应用。”https://t.cn/A6xVM5LU

【液态金属“墨水”给3D打印“通上电”】在清华大学医学微系统技术实验室宽大的操作台上,摆放着两个大烧杯。其中一个烧杯盛着乳白色的高分子涂料——PMA glue,另一个装满泛着银光的液态金属镓铟合金。

实验人员操作机械臂,将尼龙材质的东方明珠塔模型缓缓浸入高分子涂料中再缓缓提起,随后,用同样的手法将模型放进镓铟合金中再拿出。前后约15秒钟,东方明珠塔模型就身披银装,完成了一次液态金属墨水的3D打印过程。

“以往的塑料或聚合物类3D打印结构件不具备电子功能,因而无法满足现实中对某些特殊功能的需求。”清华大学教授、中科院理化所研究员刘静对《中国科学报》说,“这项工作相当于为传统的3D打印赋予了特定功能,在实际应用中有重要意义。”

液态金属邂逅3D打印

增材制造(3D打印)不需要传统工具及繁琐的加工程序,能完美解决复杂零件加工成型问题,因此在航空航天、文物保护、医疗健康等领域崭露头角。

另一方面,多功能电子器件或系统大多是三维立体结构,其组成单元则由各种金属或非金属电子材料构筑而成。以增材制造手段直接层叠式打印出立体终端电子产品,一直是学术界和工业界无法解决的难题。

“传统的3D打印主要基于塑料、聚合物一类的材料,由此打印出的物件一般并不具备电子功能。”刘静说,“而经典的金属3D打印针对的是高熔点金属粉末或线材,它们与非金属材料由于存在巨大熔点差而难以实现复合打印。”

近年来,随着液态金属印刷电子学的发展,以低熔点金属镓为基础的室温液态金属合金材料逐渐进入人们视野,在柔性电子、二维材料制备、智能机器等领域都得到广泛的研究和应用。

刘静团队长期从事液态金属相关研究,在液态金属二维电子材料制备方面有丰厚的积累。看到3D打印电子设备存在的局限性,他隐约意识到,在立体电子制造领域,液态金属有可能发挥独特作用。

为实现这一构想,刘静团队对液态金属功能材料进行改造,并结合3D打印技术,开发出一种基于液态金属选择粘附性的3D电路转印技术。在这项研究中,他们首先利用3D打印工艺制作出一系列复杂的立体结构,并在这种立体结构表面,覆盖对液态金属材料具有较高粘附性的高分子涂层,然后将这种立体结构浸润到液态金属中,从而实现液态金属在立体结构表面的附着。

近日,相关研究https://t.cn/A6xVM5Lb在国际期刊《今日应用材料》上发表。该论文审稿专家评论说:“(该团队)在可重构3D电子设备、可逆刚度机器人和可拉伸电子设备的制造方案演示,说明这一方法具有广泛适用性。这项工作描述得很好,很扎实,代表了最先进的3D功能设备技术的重大进步。”

让液态金属“站起来”

液态金属是一类低熔点的合金材料,可以在室温环境中保持液体形态。

虽然液态金属有可能在三维立体电路制备中大显身手,但目前大多数工艺采用“流道灌注”方式,将液态金属封装在三维模型中。

“在这些研究中,液态金属仅充当导电介质,无法展示出液态金属独特的界面性能在三维立体电路中的应用。”该论文第一作者、清华大学博士国瑞告诉《中国科学报》。

该团队在实验中发现,用于3D打印的液态金属——镓铟合金在室温下受重力影响,难以稳定地附着在立体结构表面。而要在实际中应用该技术,必须让液态金属在3D打印时能稳定地“站起来”。

“我们在研究中发现,3D打印工艺制作的立体结构是由颗粒熔融堆积而成,因此具有粗糙的表面形貌,这种粗糙的表面使得液态金属难以附着。”国瑞说。

经多次实验,研究人员发现,通过事先将具有较高粘附性的高分子涂层涂抹在3D打印器件上的方法,可以将镓铟合金材料“黏”在打印器件上。同时,对镓铟合金进行特殊处理,在降低其流动性的同时,提高其黏附性,从而可以让其稳定维持在立体结构表面。

基于上述原理,研究人员实现了对复杂结构立体电路的转印制备。

“这种镓铟合金的外形,取决于高分子层涂敷的形状、图案和部位。”刘静说,“借助机器或手工,很容易实现各种镓铟合金图案、花纹的印制。”

比如,用3D打印出任意形状的器具后,可借助特定笔刷或机器手,将高分子涂层绘制到物体表面,然后就能轻松将镓铟合金转印上去,而且整个过程简单快捷。

激活3D打印应用

在实验室一侧的陈列柜上,摆放着十几种不同材质的器件,转印上镓铟合金的样品。其中有塑料材质的思想者雕像、木质的小人、聚乙烯小球、金字塔模型、菜园里摘下的葫芦、甚至各种纺织品。

“这种经过改良的镓铟合金具有极佳的适形性。”国瑞说,“不管什么材质、或任何奇形怪状的三维打印物品,只要在其表面提前涂抹特殊的高分子涂层,镓铟合金都会均匀沉积,并牢牢黏附其上。”

此外,附着在立体结构表面的液态金属涂层还可以与周围的液态金属涂层形成“液桥”,从而实现金属焊接的效果。

“利用这种现象,将相同尺寸的立体结构单元进行堆积组合,可以构建出更复杂的立体结构。而且,各单元之间的液态金属涂层可形成稳定的导电通路,实现可组装的立体电路。”

刘静一边介绍,一边将展示柜上一个金字塔模型的电路接通。随即,一排连接在镓铟合金电路上的LED灯珠闪起了绿光。

这种“高分子涂层+液态金属”的结构可通过适当封装,增强其稳定性。因为镓铟合金涂层很薄,封装后的镓铟合金不仅不会出现泄漏和流淌,还能满足一些柔性物品的特殊要求,在保持电子性能的同时适应改变形状。

“当然,如果电子设备需要一定强度,还可以采用不同熔点的液态金属墨水,实现印刷后即固化。”刘静补充说,“将液态金属涂层覆盖在柔性硅胶结构表面,还可利用液态金属材料在不同温度下的相变特性,实现立体结构可调控的力学性能。”

“从安全性上看,此类材料在环境下很难蒸发。如果没有大剂量皮肤接触、吞咽、停留体内等情况,使用起来是比较安全的。”国瑞补充说。

液态金属3D打印技术将机械制造和电子制造巧妙地结合在一起,而且制造过程便捷、成本低廉,具有较高的个性化特点,因此有望在艺术设计、文化创意、消费电子、甚至大中小学电子工程教育普及方面得到广泛应用。

“除本身的电子工程学意义外,这项研究为三维立体功能电子器件快速制造,提供了一种重要且易于规模化普及的实用技术。”刘静说,“该技术具有非常强的实用性,有望赋能3D打印行业,推动传统3D打印的可持续健康发展,有望激发3D打印行业活力,促成其规模化应用。”https://t.cn/A6xVM5LU

【原创好文】通用8D改善方法应用技巧#六西格玛#
冠卓咨询官方客服:400-168-0525

我们知道在很多企业里8D的有效性非常之差,问题到底出在哪里呢?为什么通过八个步骤来解决问题,到最后不能产生真正的效果呢?虽然我们在用8D作为一个问题分析解决的工具,但是我们在分析和改善的方法上仍然没有跳出传统的一些解决问题的方式影响,表面上用的是8D报告,事实上我们还是在用固有的一个模式和方法来解决问题,并没有理解到8D的一个真正的要义,所以下面我们就从8D各个阶段的实施要点和在每一个环节中要特别注意的事项来向大家说明如何应用好8D,从而实现问题的彻底解决。

8D是透过团队合作解决问题,只有当团队的成员选择恰当和完整时,即来自的部门和具有的专业、知识、技术能够满足这个问题改善的需求时,8D活动才有意义,假如我们小组成员本身对于这个问题的发生欠缺相应的管理技术和知识的话,那么在8D后面的活动效果都会大打折扣,如在问题解决过程中对于信息的获取,对问题的改善提供意见等方面就会显得非常薄弱,如果需要的话可以考虑借助外来技术的支援,如专业的技术人士、客户和供应商提供的支持等,这样形成一个比较完整的8D小组。

在问题的描述上,首先要保证问题的描述是正确的,但很多时候并不能将实际发生的状态做一个清晰的表述,8D强调要用事实和数据来支撑问题的描述,尽量用5W2H的方式来描述问题,清楚、详细并且最好还有数据的支持,比如实际的样品、产品检验、实验测试的报告、一些缺陷的图片和依据,这样才能保证问题描述的一个正确性和完整性,以助于我们后面对问题的一个分析和改善,提供一个有力的支持。而问题描述的任何不清楚和不准确都会导致小组得到错误的原因和采取错误的纠正行动。

问题描述清楚之后,首要考虑的就是遏制的计划,就是不能让问题再蔓延,想办法在发现的时候就切断,防止问题继续发生、恶化和扩大影响,我们又称之为临时的行动,通常临时行动需要如隔离、停产或者其它紧急替代方案等,这些方法无疑只有一个目的就是临时性遏制问题的恶化,所以要求采取的临时行动它一定要能真正起到一个对问题恶化的控制,否则这个临时行动是欠缺有效性的。经常看到的100%检验,合格的产品才能出货这种做法并不是最有效性的临时行动,因为这样的措施,问题还是在持续发生,所以在临时行动的制定上,我们最好是考虑通过一些如替代性方案这种能遏制问题发生的措施。

当我们制定了临时计划之后,就要开始来分析到底是什么原因导致问题的发生。通常这一步是企业在做8D的时候最薄弱的一个环节,找不到根本原因,就无法采取有针对性的措施来消除掉根本原因,问题点也就解决不了,这个问题也就会重复发生。在8D原因分析过程中常常混淆了以下三种不同类型的原因,第一种叫可能的原因,它是在原因结果图上被确定的描述一种结果可能发生的任何原因,第二种叫最有可能的原因,它是以可得到的数据为基础,最能描述问题的原因,第三种叫根本原因,它是验证过的解释问题的原因,通过让问题再现来验证,根本原因一定是经过验证的原因,如果原因没有被验证,就不能说是这个问题点的一个根本原因,只能说明我们还是在推测。

这个阶段就是一个慢慢减小调查能够验证的根本原因的范围的过程,在确定了最可能原因后,验证它引起的问题,验证是用来确认已经确定了根本原因的所需的证据,验证常通过调整可能是根因的变量来让缺陷重现和消除来完成。另外,在进行原因分析时特别要注意有关原因的数据是否充分地提供了?这些数据和信息必须要准确和全面。

把原因确定了,下一步就要考虑改正的行动,即长久对策,这里要求这个改正的行动一定要能去除问题的根本原因,不会再因为这个原因产生问题的重复发生,而且在实施前需要一些数据的分析来验证这些改正行动的有效性,比如通过产品的检验、测量和实验,判断问题是否得到了解决?产品不良是不是有效的降低?必要时对制程能力数据进行必要的分析,制程能力是否发生了显著的变化?另外需要注意的一点是选择的改正行动不会产生其他不希望发生的副作用,即产生新的问题点的发生。这个阶段常出现的问题有,第一、把永久对策和D3阶段的临时行动搞混,把针对问题的临时措施当做针对根本原因的永久措施,第二、永久对策并不是根据根本原因制定,这可能是因为在D4阶段只是靠经验得出了原因,并在此基础上制定了永久措施,或者只是列出了一些管理角度的措施内容,第三、缺少足够的对策对应不同的原因,比如,分析出了四个根本原因,但只对其中两个制定了永久对策,第四、长久对策没有经过验证就实施。

在选择和验证长久对策有效后,就要开始执行和确认长久对策,执行长久对策是为了消除根本原因,没有好的执行,你的措施就毫无价值,这其实是一个执行力的问题,你前面策划的再好,用到了再好的方法,再好的工艺,如果不去行动的话,最终的效果还是等于零。通过行动计划来明确永久对策的执行人、方法、日期等。在执行长久对策后还需要通过长期效果来确认问题是否已被完全的消除?

在永久对策执行确认后,我们需要考虑有一个更深入的递进分析,通过修改需要的系统,包括管理、过程、程序等来防止问题再次发生的机会。这里预防再发的措施包括:PFMEA的重新审查/修改,控制计划的重新审查/修改,技术规范/图纸、作业流程、工艺控制标准和方法的修正等,另外我们还要充分考虑防错技术的应用。

当我们通过8D对问题实施了有效改善之后,团队应该得到肯定和鼓励,不管是用何种方式,重要的是认可8D小组存在的一个价值,让成员投入到新的一个循环里面去,鼓励他们,让他们有更足的干劲、积极性、主动性投入到下一个问题点的解决中。另外通过8D报告的总结,可以将经验教训用于相似产品或相似的过程的改善及下一代产品的参考。

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