兩全其美：一種新的金屬-塑料混合3D打印技術(shù)

來源：江蘇激光聯(lián)盟

同時(shí)打印金屬和塑料，由于兩者的熔點(diǎn)差異較大導(dǎo)致打印非常困難。如今，來自日本W(wǎng)aseda University的研究人員發(fā)明了一種新的復(fù)合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)金屬和塑料的同時(shí)打印，這一成果發(fā)表在期刊《Additive Manufacturing》上。

圖1 一種將3D打印機(jī)的使用擴(kuò)展到3D電子產(chǎn)品的方法，用于未來機(jī)器人技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)打印金屬和塑料

3D打印技術(shù)在過去十年中取得了巨大的發(fā)展，現(xiàn)在可以在工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。3D打印也稱為“增材制造”，它允許人們直接從原材料中制造任意復(fù)雜的3D物體。在最流行的3D打印工藝熔絲制造中，塑料或金屬被熔化并由打印機(jī)頭通過小噴嘴擠出，然后立即固化并與零件的其余部分熔合。然而，由于塑料和金屬的熔點(diǎn)差異很大，這項(xiàng)技術(shù)迄今僅限于制造金屬或塑料物體。

最近發(fā)表在《增材制造—Additive Manufacturing》雜志上的一項(xiàng)研究中，日本早稻田大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)了一種新的混合復(fù)合技術(shù)，可以生產(chǎn)由金屬和塑料制成的3D 物體。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Shinjiro Umezu教授解釋了他們的動機(jī)：“盡管3D打印機(jī)可以讓我們用金屬和塑料創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，但我們身邊的大多數(shù)物體都是由兩者結(jié)合而成，包括電子設(shè)備。因此，我們認(rèn)為，如果我們能夠利用傳統(tǒng)的3D打印機(jī)來創(chuàng)建由金屬和塑料制成的3D物體，我們將能夠擴(kuò)大其應(yīng)用?！?br />
他們的方法實(shí)際上是對用于金屬涂覆3D塑料結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)金屬化工藝的重大改進(jìn)。在傳統(tǒng)方法中，塑料物體經(jīng)過3D打印，然后浸入含有鈀（Pd）的溶液中，鈀附著在物體表面。然后，將工件浸入化學(xué)鍍液中，使用沉積的Pd作為催化劑，使溶解的金屬離子粘附在物體上。這種方法在技術(shù)上雖然是合理的，但傳統(tǒng)方法會產(chǎn)生不均勻的金屬涂層，并且與塑料結(jié)構(gòu)的粘附性很差。

圖2：A：3D打印塑料結(jié)構(gòu)金屬化的常規(guī)方法。需要濕式預(yù)處理來催化工件表面。Pd膠體沉積在表面上。然后，將Pd催化的工件浸入化學(xué)沉積浴中，以在表面上涂覆感興趣的金屬。Pd催化劑誘導(dǎo)無電沉積。但是，由于3D打印機(jī)中使用的塑料（本研究中為 ABS）主要是疏水性的，因此沉積的金屬對表面的附著力不強(qiáng)，因此涂層不均勻。B：本文在3D打印塑料結(jié)構(gòu)的選定區(qū)域上沉積金屬提出的方法。除了純塑料ABS燈絲外，還有含有PdCl2的ABS燈絲。在3D打印中，工件的基本結(jié)構(gòu)使用純ABS燈絲制造，并采用含有PdCl2的ABS燈絲涂覆選定的感興趣區(qū)域（圖中黃色部分）。由于工件在選定區(qū)域被Pd催化，因此可以直接浸入化學(xué)鍍槽中（即A中的催

圖3  使用不同催化方法獲得的3D打印ABS結(jié)構(gòu)。(A) 圖1A所示的常規(guī)方法：浸入 Pd 離子溶液中。雙面箭頭表示浸入深度。(B) 區(qū)域選擇性催化：通過噴嘴在氣壓下粘附ABS和PdCl2混合物丙酮溶液。(C) 區(qū)域選擇性催化：使用含有PdCl2的ABS燈絲通過FFF 3D打印機(jī)粘貼含有PdCl2的ABS。左圖是3D打印和催化過程后的圖像，右圖是化學(xué)沉積后的圖像。

3D打印塑料結(jié)構(gòu)金屬化的傳統(tǒng)方法和本文所提出的方法概述。與傳統(tǒng)技術(shù)不同，本文所提出的雙噴嘴方法僅在所需區(qū)域產(chǎn)生具有均勻且牢固粘附的金屬涂層的3D物體。

相比之下，在新的混合方法中，使用的是帶有雙噴嘴的打印機(jī)；一個(gè)噴嘴用于擠出標(biāo)準(zhǔn)熔融塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）），而另一個(gè)噴嘴擠出裝有二氯化鈀（PdCl2）的ABS。通過使用一個(gè)噴嘴或另一個(gè)噴嘴選擇性地打印層厚，3D物體的特定區(qū)域含有Pd。然后，通過化學(xué)鍍，最終獲得僅在選定區(qū)域上具有金屬涂層的塑料結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，使用這種方法時(shí)，金屬涂層的附著力要高得多。更重要的是，由原材料中含有Pd ，與傳統(tǒng)方法不同，他們的技術(shù)不需要對ABS結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何類型的粗糙化或蝕刻來促進(jìn)催化劑的沉積。這一點(diǎn)尤其重要，考慮到這些額外的步驟不僅會對3D物體本身造成損害，還會因?yàn)槭褂昧算t酸等有毒化學(xué)物質(zhì)而對環(huán)境造成損害。最后，他們的方法與現(xiàn)有的熔絲制造3D打印機(jī)完全兼容。

Umezu認(rèn)為，考慮到金屬塑料混合3D打印在3D電子產(chǎn)品中的潛在應(yīng)用，它在不久的將來可能會變得非常重要，這是即將到來的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應(yīng)用的焦點(diǎn)。在這方面，他補(bǔ)充道：“我們的混合3D打印方法為制造3D電子產(chǎn)品開辟了可能性，這樣用于醫(yī)療保健和護(hù)理的設(shè)備以及機(jī)器人可能比我們今天所擁有的更好?！?br />
這項(xiàng)研究有望為復(fù)合 3D打印技術(shù)鋪平道路，使我們能夠充分利用金屬和塑料的優(yōu)點(diǎn)。

文章來源：Waseda University和Jing Zhan et al, Metal-plastic hybrid 3D printing usingcatalyst-loaded filament and electroless plating, AdditiveManufacturing (2020). DOI:10.1016/j.addma.2020.101556以及Shinjiro Umezu