電化學(xué)去除金屬3D打印支撐

導(dǎo)讀：雖然目前金屬3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度非?？?，但其中仍有許多問題有待解決，其中之一就是去除支撐結(jié)構(gòu)。這可以通過機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)，或者采用可溶性材料（如Stratasys等公司研發(fā)的材料）實(shí)現(xiàn)。機(jī)械加工方法很麻煩，還有可能對(duì)打印件造成損傷?？扇苄圆牧系姆N類有其局限性，一般只適用于塑料材料，對(duì)于金屬支撐，這種方法就起不到作用了。



電化學(xué)去除金屬支撐概述
南極熊了解到，早在2016年，來自亞利桑那州立大學(xué)（ASU）的研究者們就提出了利用電化學(xué)的方法去除金屬支撐，這個(gè)方法已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)外專利。原理如下圖所示：



圖中灰色部分實(shí)際需要的零件實(shí)體，為了確保打印成功，通常需要對(duì)零件的實(shí)體部分添加支撐就是圖中的黑色部分。電化學(xué)去除支撐本質(zhì)上是“犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法”，這種方法通常用于防止金屬腐蝕，即將還原性較強(qiáng)的金屬作為保護(hù)極，與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強(qiáng)的金屬將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的金屬作為正極就可以避免腐蝕。不論是位于同一電解質(zhì)的兩種互相接觸金屬還是一種材料不同部位位于不同電解質(zhì)（比如船體位于水面上下部分）。發(fā)生陽(yáng)極氧化的材料具有更負(fù)的還原電位，它會(huì)優(yōu)先于零件材料被氧化。支撐材料就相當(dāng)于還原性較強(qiáng)的陽(yáng)極材料，被去除掉。

第一個(gè)電化學(xué)金屬支撐解決方案

南極熊了解，這種方法已經(jīng)提出了有近五、六年的時(shí)間，但研究者們對(duì)它的研究還是很少。亞利桑那州立大學(xué)（ASU）的研究者最早（2016年）利用這種方法去除了金屬支撐。下面是金屬3D打印支撐溶解電化學(xué)過程。


在此研究中，研究人員3D打印的零件材料是304不銹鋼，使用的支撐材料是碳鋼，具體原理是通過使用硝酸和氧氣的電化學(xué)刻蝕技術(shù)去除碳鋼支撐。這種方法已經(jīng)被證明是具有可行性的，而且更重要的是，它不會(huì)對(duì)不銹鋼的打印件造成任何影響。下圖為研究者們使用碳鋼作為支撐制造了一個(gè)不銹鋼橋，然后通過電化學(xué)（41wt.%的硝酸溶液和氧氣）除去碳鋼。一開始，研究者們沒有使用氧氣，他們發(fā)現(xiàn)這種情況下的腐蝕速度太慢了，10個(gè)小時(shí)才除掉了1.4mm碳鋼。后來，他們引入了氧氣以加速反應(yīng)，完全去除剩余的7mm碳鋼只用了6個(gè)小時(shí)。


△電化學(xué)刻蝕技術(shù)去除碳鋼支撐

南極熊發(fā)現(xiàn)，利用電化學(xué)刻蝕的方法去除金屬支撐在原理上是具有可行性的（通過實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)證明），但國(guó)內(nèi)外對(duì)此技術(shù)的研究還十分少，目前還沒有成熟的工業(yè)應(yīng)用，主要存在以下幾個(gè)方面的問題：
●犧牲陽(yáng)極材料必須與打印材料具有冶金兼容性，也就是說必須有類似的晶體結(jié)構(gòu)、熱導(dǎo)率，以及熱膨脹系數(shù)，并且不能生成有害的金屬間化合物。這能夠保證犧牲陽(yáng)極和打印件之間的接觸部分具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以承受金屬3D打印過程中的極端熱循環(huán)所引起的應(yīng)力。

●必須使用一種高腐蝕性電解質(zhì)。與打印材料相比，這種電解質(zhì)必須能以較高的選擇性（> 100：1）溶解犧牲陽(yáng)極。

●過程需要可控，精度的保證較為困難?；瘜W(xué)反應(yīng)速率和時(shí)間難控制，有時(shí)會(huì)使得打印材料也少量的被去除或者支撐材料去除不完全。

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