高精度金屬3D打印新技術(shù)：基于水凝膠注入的光固化成型
相關(guān)研究成果以題為 "Additive manufacturing ofmicro-architected metals via hydrogel infusion/通過水凝膠灌注的微架構(gòu)金屬的增材制造 "的論文被發(fā)表在《自然》雜志上，作者為Max A Saccone和Rebecca A Gallivan。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05433-2
長期以來，Greer團(tuán)隊(duì)致力于分層、納米、電池和其他新材料，以及3D打印的工藝。水凝膠衍生材料也是該團(tuán)隊(duì)多年來一直在探索的一個新領(lǐng)域。
△JuliaR. Greer教授
用水凝膠3D打印金屬零件
總體而言，水凝膠的3D打印多是使用大桶光聚合工藝生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。然后這些結(jié)構(gòu)被填充上金屬或陶瓷前體，再通過反應(yīng)變成最終的金屬部件。此前，Greer團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在金屬氧化物（即氧化鋅），以及制造電極方面進(jìn)行了研究。一般來講，研究人員成型部件往往會使用一些非常富有成效的光聚合工藝，如：數(shù)字光處理（DLP）、立體光刻（SLA）和使用標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)和材料的掩膜SLA（mSLA）。
該團(tuán)隊(duì)仍是基于大桶光聚合技術(shù)（主要是DLP）來3D打印水凝膠，然后用金屬前驅(qū)體填充結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行燒結(jié)，經(jīng)過這個熱過程就會產(chǎn)生金屬部件。該團(tuán)隊(duì)表示，它已經(jīng)制成了尺寸約為40微米的物體，具有非常高的硬度。此外，研究人員認(rèn)為，材料可以被調(diào)整，甚至可以制成多邊零件。
研究人員用于測試的3D打印晶格結(jié)構(gòu)是用50微米左右的光斑固化制成的，生成部件是特征尺寸為100微米的硬部件。研究人員用鎳、銀和銅以及鎢鈮進(jìn)行了研究，鎢鈮是一種難以成型的難熔金屬組合。他們還能夠混合多種材料，如銅和鈷。這項(xiàng)工作的一個獨(dú)特之處在于，從水凝膠步驟開始，可以在不同的區(qū)域放入不同的金屬鹽，然后可以同時進(jìn)行燒結(jié)。一個奇怪的細(xì)節(jié)是，硬度似乎比預(yù)期的高47%至15%，這可能是有待進(jìn)一步開發(fā)的東西。一般來說，需要控制燒結(jié)過程，這對許多幾何形狀的工業(yè)化來說，可能是一個有點(diǎn)挑戰(zhàn)的問題。收縮率約為60%，這也會限制幾何形狀和工藝控制。
小零件的間接金屬3D打印
這項(xiàng)間接金屬3D打印技術(shù)通過使用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)藥品，不需要新的機(jī)器或設(shè)置，而且成本很低。這可能導(dǎo)致這它會快速在客戶方得到應(yīng)用，因?yàn)樗麄儞碛斜匾脑O(shè)備和部分工藝的知識，像Arkema或Stratasys的這樣的材料廠商也會大力支持這種工藝的進(jìn)一步推廣，很多方面可以聯(lián)合起來促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化。此外，通過使用大桶光聚合，他們可以在生產(chǎn)精確、微小的細(xì)節(jié)和特征方面搭上這項(xiàng)技術(shù)的“便車”。由此產(chǎn)生的零件是小而精確的，也許對于創(chuàng)建微通道網(wǎng)格構(gòu)件來說，這種技術(shù)確實(shí)可以成為一種性價(jià)比非常高的選擇。
與這項(xiàng)技術(shù)相似的工作還包括直寫式3D打印和雙光子光聚合法。這項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用的另一種結(jié)果是大桶光聚合的部件被碳化，成為良好的導(dǎo)體。從整體上看，這里與硬度、耐火材料和薄梁晶格構(gòu)件有關(guān)的細(xì)節(jié)可能是獨(dú)一無二的。
現(xiàn)在，還有其他與之相似的技術(shù)存在。例如HoloAM、MetShape、Incus和Lithoz使用一種被稱為"漿料SLA"的光固化技術(shù)，在這種情況下，樹脂被預(yù)先添加了金屬顆粒，再使用大桶光聚合系統(tǒng)進(jìn)行打印。然后對零件進(jìn)行脫模和燒結(jié)。當(dāng)然，這需要許多步驟，而且漿料SLA的零件尺寸不大。燒結(jié)也會暴露出收縮的問題。然而，對于某些幾何形狀，漿料SLA可以制造出具有很好的內(nèi)表面紋理的詳細(xì)零件（因?yàn)闃渲侵挝铮梢郧逑吹簦?。對于稍大的部件，還有粘結(jié)劑噴射方法可以選擇，這本身就可以是一種高產(chǎn)和廉價(jià)的技術(shù)。人們還可以考慮失蠟鑄造和大桶光聚合。對于微小的零件，人們可能不會考慮材料擠壓或粉末床熔融。但是，有一些微型加工和打印技術(shù)在這里可能具有競爭力。
所有這些技術(shù)都在爭奪一個潛在的非常有競爭力的空間，其中數(shù)十億優(yōu)化的亞厘米到亞微米的元件可以在制造、電子、醫(yī)藥和工業(yè)用途中發(fā)揮作用。攻克這一難題的公司所能達(dá)到的產(chǎn)量可能是驚人的。類似MOSFET的設(shè)備、散熱器、電子元件、天線、電池、傳感器和更多，都可能產(chǎn)生數(shù)百萬甚至數(shù)十億的零件需求。
要做到這一點(diǎn)，就必須有人能夠以合適的價(jià)格，以合適的規(guī)格制造合適的幾何形狀。與其他技術(shù)相比，矩陣式結(jié)構(gòu)、過濾器、TPMS場、網(wǎng)狀物和柔性電池等應(yīng)用可能最好用這種技術(shù)3D打印。一個小而強(qiáng)的晶格將是這項(xiàng)技術(shù)的一個很好的應(yīng)用。當(dāng)然，現(xiàn)在，它需要首先進(jìn)行工業(yè)化，并需要新的設(shè)備。這仍然是非常早期的事情，但可能是一個非常富有成效的方法。
來源：南極熊3D打印
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