加州理工學院開發(fā)新興高精度金屬3D打印技術：基于水凝膠注入的光固化成型

2022年10月28日，南極熊獲悉，來自加州理工學院Kavli 納米科學研究所的Julia Greer教授和Greer團隊開發(fā)一種新的高精度金屬3D打印技術，該技術是基于水凝膠注入的成型技術，可用于成型特征尺寸在100微米左右的多種精細金屬部件。

相關研究成果以題為 "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團隊致力于分層、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隊多年來一直在探索的一個新領域。

△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結構。然后這些結構被填充上金屬或陶瓷前體，再通過反應變成最終的金屬部件。此前，Greer團隊已經在金屬氧化物（即氧化鋅），以及制造電極方面進行了研究。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：數字光處理（DLP）、立體光刻（SLA）和使用標準打印機和材料的掩膜SLA（mSLA）。

該團隊仍是基于大桶光聚合技術（主要是DLP）來3D打印水凝膠，然后用金屬前驅體填充結構，并對其進行燒結，經過這個熱過程就會產生金屬部件。該團隊表示，它已經制成了尺寸約為40微米的物體，具有非常高的硬度。此外，研究人員認為，材料可以被調整，甚至可以制成多邊零件。

研究人員用于測試的3D打印晶格結構是用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。這項工作的一個獨特之處在于，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，然后可以同時進行燒結。一個奇怪的細節(jié)是，硬度似乎比預期的高47%至15%，這可能是有待進一步開發(fā)的東西。一般來說，需要控制燒結過程，這對許多幾何形狀的工業(yè)化來說，可能是一個有點挑戰(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

這項間接金屬3D打印技術通過使用標準的化學藥品，不需要新的機器或設置，而且成本很低。這可能導致這它會快速在客戶方得到應用，因為他們擁有必要的設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一步推廣，很多方面可以聯合起來促進其產業(yè)化。此外，通過使用大桶光聚合，他們可以在生產精確、微小的細節(jié)和特征方面搭上這項技術的“便車”。由此產生的零件是小而精確的，也許對于創(chuàng)建微通道網格構件來說，這種技術確實可以成為一種性價比非常高的選擇。

與這項技術相似的工作還包括直寫式3D打印和雙光子光聚合法。這項技術被應用的另一種結果是大桶光聚合的部件被碳化，成為良好的導體。從整體上看，這里與硬度、耐火材料和薄梁晶格構件有關的細節(jié)可能是獨一無二的。

現在，還有其他與之相似的技術存在。例如HoloAM、MetShape、Incus和Lithoz使用一種被稱為"漿料SLA"的光固化技術，在這種情況下，樹脂被預先添加了金屬顆粒，再使用大桶光聚合系統(tǒng)進行打印。然后對零件進行脫模和燒結。當然，這需要許多步驟，而且漿料SLA的零件尺寸不大。燒結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表面紋理的詳細零件（因為樹脂是支撐物，可以清洗掉）。對于稍大的部件，還有粘結劑噴射方法可以選擇，這本身就可以是一種高產和廉價的技術。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在這里可能具有競爭力。

所有這些技術都在爭奪一個潛在的非常有競爭力的空間，其中數十億優(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到的產量可能是驚人的。類似MOSFET的設備、散熱器、電子元件、天線、電池、傳感器和更多，都可能產生數百萬甚至數十億的零件需求。

要做到這一點，就必須有人能夠以合適的價格，以合適的規(guī)格制造合適的幾何形狀。與其他技術相比，矩陣式結構、過濾器、TPMS場、網狀物和柔性電池等應用可能最好用這種技術3D打印。一個小而強的晶格將是這項技術的一個很好的應用。當然，現在，它需要首先進行工業(yè)化，并需要新的設備。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。