给风挡玻璃“贴”上透明“金属网”
——青岛理工大学微纳3D打印技术在透明电加热、透明电磁屏蔽等领域达到工业化应用级别
在眼下的寒冬时节，车主们经常遇到的问题是汽车风挡玻璃起霜起雾，影响驾驶安全。在风挡玻璃上“打印”一层“看不见”的“金属网”，在通电后不仅可以快速加热除霜除雾，还不影响玻璃的透光性，如今这种技术正在逐渐走进现实——青岛理工大学兰红波教授团队研制出国内首台具有完全自主知识产权的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，并在诸多领域开展了工业化应用探索，其中透明电加热、透明电磁屏蔽等已经达到工业化应用水平。
对于3D打印这种技术，人们并不陌生，不过市面上常见的3D打印产品多是“大尺度或”“宏尺度”上的。顾名思义，微纳3D打印是在微纳尺度上进行增材制造。人的一根头发丝直径大约为50至80微米，而微纳3D打印的构件直径可以达到几微米甚至几十个纳米。“我们用微纳3D打印机打印的结构用肉眼是看不到的，需要用显微镜放大才能看到。”青岛理工大学机械与汽车工程学院教授、山东省增材制造工程技术研究中心主任、青岛市3D打印工程研究中心主任兰红波告诉记者。
兰红波（左）和团队成员用微纳3D打印机打印构件。
随着全球工业4.0时代的到来，生产的高精度、个性化定制等需求越来越多，传统的减材工艺已经越来越难以满足制造需求，尤其是传统光刻、激光加工等微纳制造面临生产成本高、工艺复杂、材料浪费严重等不足。微纳3D打印的优势就在于，成本低、工艺简单、适合各种基材和表面、材料利用高、直接成形复杂三维结构、宏/微跨尺度制造。作为世界科技的前沿技术，微纳3D打印技术难度大、门槛高，涉及机械、材料、控制等多学科交叉，该技术长期被美国、德国、日本等少数国家所垄断。兰红波教授带领团队成员迎难而上，在国内率先倡导并开展微纳3D打印的研究。经过近10年的研究和技术攻关，研制出国内首台具有完全自主知识产权的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，并将该技术应用到透明电极、透明电磁屏蔽、透明电加热玻璃、陶瓷基电路、共形阵天线、透明天线、微透镜、可降解管腔支架和组织支架、3D结构电子等产品和行业。
微纳3D打印的高性能透明电磁屏蔽玻璃，用于国内军事领域。
通过几个例子，人们就可以体会到微纳3D打印的“神奇”。通过微纳3D打印技术制造的金属网格，其线宽仅有8微米，而当打印的导线宽度小于20微米时，人用肉眼几乎就看不到了。这样一来，把几乎透明的金属网格“贴”到风挡玻璃上，通电之后就可以除霜除雾，并且保证玻璃的高透光性。但是，如此高精度的金属网格如果采用光刻、激光等传统减材制造技术，价格非常昂贵，在制造过程中还会产生许多废液废气。“减材工艺是‘去除’，就像我们用一块石头雕刻一个小物件，大部分材料都被浪费了。特别是一些贵重材料，浪费成本更加高昂。”兰红波说，“而我们的工艺是增材，是往上‘长’，材料利用率几乎是100%，也不存在浪费和污染之说。”除此以外，这种透明金属网格还可以用到航空航天、国防军事、精密电子等领域，具有宽频电磁屏蔽、电磁防护和隐身的功能。
如今，兰红波教授团队正在攻克透明天线的高效打印问题，在不久的将来有望达到工业化生产水平。透明天线的应用领域也非常广阔，比如在5G时代，信号传输需要大量天线，把“透明天线”贴在窗户玻璃上，就可以接收大量5G信号；随着无人驾驶技术的探索，汽车也需要接收大量信号，同样可以用到“透明天线”；此外还可以把轻载透光天线用在卫星的太阳能电池板上，既可以接收信号，又不影响太阳能电池板使用。在生物医疗和康复领域，兰红波教授团队正在攻克导电组织支架，一旦成功，这种导电组织支架就可以用于脊髓和神经的修复，为瘫痪患者带去福音。（青岛日报/观海新闻记者 王沐源）
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