EPFL實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度3D打印金屬陶瓷制造，強(qiáng)度躍升20倍，收縮率銳減至20%

2025年10月9日，南極熊獲悉，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員率先開發(fā)出一種新的3D打印方法，可以在水基凝膠內(nèi)“生長”金屬和陶瓷，從而為下一代能源、生物醫(yī)學(xué)和傳感技術(shù)打造出極其致密而又復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

新型水凝膠模板法實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度金屬陶瓷3D打印

光聚合技術(shù)通常僅用于光敏聚合物，這限制了它的實(shí)際應(yīng)用范圍。雖然一些3D打印技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出將這些打印聚合物轉(zhuǎn)化為更堅(jiān)韌的金屬和陶瓷，但EPFL工程學(xué)院材料化學(xué)與制造實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Daryl Yee解釋說：“用這些技術(shù)生產(chǎn)的材料存在嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)缺陷。這些材料往往具有多孔性，這大大降低了它們的強(qiáng)度，而且零件會(huì)過度收縮，從而導(dǎo)致翹曲。”

△相關(guān)研究已發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊上，題目為“基于水凝膠的低收縮陶瓷和金屬槽光聚合（通過重復(fù)灌注沉淀）”（傳送門）

與之前的方法不同，EPFL團(tuán)隊(duì)首先用簡單的水凝膠構(gòu)建了一個(gè)3D支架，而不是使用光來硬化預(yù)先注入金屬前體的樹脂。然后，他們將金屬鹽注入這種“空白”水凝膠中，再通過化學(xué)方法將它轉(zhuǎn)化為能夠滲透到結(jié)構(gòu)中的含金屬納米顆粒。重復(fù)此過程，即可生成金屬濃度極高的復(fù)合材料。

△銅注入水凝膠的橫截面

經(jīng)過5-10個(gè)“生長循環(huán)”，最后的加熱步驟會(huì)燒掉剩余的水凝膠，留下成品：一個(gè)形狀與原始空白聚合物相同的金屬或陶瓷物體，密度和強(qiáng)度空前高超。由于水凝膠在制造后才注入金屬鹽，該技術(shù)可以將單個(gè)水凝膠轉(zhuǎn)化為多種不同的復(fù)合材料、陶瓷或金屬。

Yee說道：“我們的工作不僅能夠通過便捷、低成本的3D打印工藝制造出高質(zhì)量的金屬和陶瓷；它還凸顯了增材制造的新范式，即材料選擇發(fā)生在3D打印之后，而不是之前?！?br />

△a)金屬與陶瓷的水凝膠灌注沉淀工藝流程示意圖。b)使用新工藝制造的金屬與金屬氧化物零件的實(shí)物照片

3D打印實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度提升20倍，收縮率銳減至20%

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)用鐵、銀和銅制作了復(fù)雜的數(shù)學(xué)晶格形狀，稱為陀螺儀，展示了他們的技術(shù)能夠制造出堅(jiān)固而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為了測(cè)試材料的強(qiáng)度，他們使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)陀螺儀施加了越來越大的壓力。

Yee表示：“我們的工作凸顯了增材制造的新范式，即材料選擇發(fā)生在3D打印之后，而不是之前。”博士生兼第一作者Ji Yiming補(bǔ)充道：“與以前的方法生產(chǎn)的材料相比，我們的材料可以承受20倍的壓力，而收縮率僅為20%，而以前的方法生產(chǎn)的材料收縮率為60-90%”。

△采用灌注沉淀法制備的厘米級(jí)與毫米級(jí)樣品光學(xué)圖像

研究團(tuán)隊(duì)表示，他們的技術(shù)對(duì)于制造先進(jìn)的3D結(jié)構(gòu)尤其有用，這些結(jié)構(gòu)必須同時(shí)兼具強(qiáng)度、重量輕和復(fù)雜性，例如傳感器、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備或能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備。例如，金屬催化劑對(duì)于實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的反應(yīng)至關(guān)重要。其他應(yīng)用還包括用于能源技術(shù)的具有先進(jìn)冷卻性能的高表面積金屬。

展望未來，該團(tuán)隊(duì)正致力于改進(jìn)這項(xiàng)新工藝，以促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的推廣，特別是進(jìn)一步提高材料的密度。另一個(gè)目標(biāo)是提高速度：重復(fù)的灌注步驟雖然對(duì)于生產(chǎn)更堅(jiān)固的材料至關(guān)重要，但與其它將聚合物轉(zhuǎn)化為金屬的3D打印技術(shù)相比，新工藝更加耗時(shí)。因此，研究人員正在進(jìn)一步通過使用機(jī)器人自動(dòng)化這些步驟來縮短總處理時(shí)間。