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水凝膠灌注金屬鹽3D打印微米級金屬部件

微納
2022
12/01
14:46
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2022年12月1日,南極熊獲悉,加州理工學(xué)院的工程師開發(fā)了一種3D打印純金屬和多組分金屬的新方法,該技術(shù)可以實現(xiàn)比現(xiàn)有分辨率的基礎(chǔ)上再小一個數(shù)量級。該團隊表示,通過這種水凝膠衍生的金屬具有高度孿晶的微觀結(jié)構(gòu)和異常高的硬度,為制造先進(jìn)的金屬微材料提供了途徑。該文發(fā)表在Nature雜志上。


新工藝可用于多種金屬,甚至是同一制造部件中的多種金屬。只需稍作調(diào)整。它有可能為制造微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的微型組件鋪平道路。未來可用于車輛和空間應(yīng)用、熱交換器或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的精密組件。

△瑞士精密3D打印公司Cytosurge的納米級3D打印物

技術(shù)背景
在3D打印中,由于構(gòu)建對象是逐層創(chuàng)建的,因此允許創(chuàng)建傳統(tǒng)金屬成型方法(如鍛造和噴墨成型)或減法工藝無法制造的結(jié)構(gòu),例如蝕刻或銑削。目前金屬3D打印工藝使用激光來切割金屬粉末,金屬粉末會瞬間熔化,然后凝固成特定的形狀。通過這種方式,可以創(chuàng)建分辨率約為100微米的結(jié)構(gòu),這大致相當(dāng)于兩張紙的厚度。

問題在于,金屬,尤其是那些具有高導(dǎo)熱性的金屬,例如銅,導(dǎo)熱性非常好,以至于即使采用精細(xì)聚焦的激光,熱量也會擴散并熔化所需區(qū)域之外的粉末,從而降低了可打印的分辨率。

該研究主要由斯坦福大學(xué)的博士后研究員Max Saccone領(lǐng)導(dǎo),由多個研究員組成的團隊在加州理工學(xué)院的Julia R. Greer實驗室中開發(fā)了這種新技術(shù):他們不是直接書寫金屬,而是3D打印水凝膠,作為含金屬液體前體的支架。目前,瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Kai Narita博士已從加州理工學(xué)院的手中獲得了這項新技術(shù)的授權(quán),并且成立了一家名為3D Architech的公司打算將該技術(shù)商業(yè)化。

Saccone解釋道:“我們必須開發(fā)一種新的方法,在不依靠傳統(tǒng)的熱傳遞工藝基礎(chǔ)上來打印我們的構(gòu)建物”

他說:“水凝膠是由不溶于水的柔性聚合物鏈制成的材料,用于軟性隱形眼鏡等產(chǎn)品。來自低功率紫外線燈的光能夠在液態(tài)聚合物中引發(fā)化學(xué)反應(yīng),通過誘導(dǎo)聚合物鏈的交聯(lián)使它們硬化。如果您以特定模式一遍又一遍地重復(fù)該過程,則可以形成所需的微觀形狀!

△以微觀分辨率3D打印的銅結(jié)構(gòu)

水凝膠灌注工藝和它的可控“反應(yīng)”
然后,加州理工學(xué)院的研究人員向3D打印的水凝膠支架注入溶于水的金屬鹽,使金屬離子滲透到水凝膠中,而不僅僅是涂在表面。然后,研究人員在一個達(dá)到700至1100攝氏度的熔爐中通過高溫的形式蒸發(fā)掉水凝膠,這取決于材料的具體情況。例如,在金屬的熔點高于水凝膠的情況下,金屬可以保持完整并完成去除工作。

熱量不僅會去除水凝膠,還會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)隨著水凝膠的燃燒而收縮,從而形成更細(xì)小的金屬結(jié)構(gòu)。通過這個過程,除了純金屬之外,該團隊還可以3D打印金屬合金和多組分金屬結(jié)構(gòu),特征尺寸約為40微米,或不到人類頭發(fā)絲寬度的一半。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的博士后研究員Rebecca Gallivan說:“該研究令人興奮的地方是它可以與多種金屬一起工作,只需稍微調(diào)整過程的‘反應(yīng)’階段,并為微型材料工程創(chuàng)造新的機會!痹陂_發(fā)該工藝時,該團隊生產(chǎn)了由銅、鎳、銀和各種金屬合金制成的3D打印結(jié)構(gòu)。

這項研究獲得了美國能源部、雷斯尼克可持續(xù)發(fā)展研究所、Masason基金會和加州理工學(xué)院的AI4Science計劃資助。


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