倫敦帝國理工學(xué)院：低成本電化學(xué)多金屬4D打印ECAM

來源：3D打印商情

南極熊發(fā)現(xiàn)，nature期刊的Scientific Reports上發(fā)布了低成本電化學(xué)多金屬4D打印ECAM的論文。電化學(xué)增材制造（ECAM）是倫敦帝國理工學(xué)院（ICL）開發(fā)的低成本金屬制造的新方法。

Billy Wu博士是新的ECAM科學(xué)報告文章的三位作者之一。在擔(dān)任ICL戴森設(shè)計工程學(xué)院能源與制造高級講師期間，Wu博士還是該大學(xué)的增材制造網(wǎng)絡(luò)（AMN）的聯(lián)合負(fù)責(zé)人。近日，他接受了媒體的采訪。

ECAM 3D打印的樣本，拼寫出倫敦帝國理工學(xué)院的縮寫。

無激光金屬增材制造
ECAM是一種基于電鍍原理的制造方法，通常用于為珠寶首飾添加更多有價值的金屬層。它使用帶電金屬離子的液體溶液作
為原料，在與帶負(fù)電的銅床接觸時產(chǎn)生固體金屬層。如Wu博士所解釋的，用于該過程的常用材料包括“銅，鋅，鎳和錫”，盡管也可以使用合金。“基本上，”他補(bǔ)充道，“任何可以電鍍的金屬都可以用于ECAM工藝。”
△多材料3D打印過程的示意圖。 （a）彎月面控制銅電沉積過程。 （b）彎月面控制鎳電沉積過程


△3D打印銅鎳雙金屬條的光學(xué)頂視圖和橫截面SEM顯微照片，具有3小時（5V電壓Cu）銅沉積時間和（a）1小時，（b）3小時和（c）5小時（ 2 V電壓  Ni）鎳沉積時間及伴隨的EDS分析


例如，依賴于激光功率的電化學(xué)工藝優(yōu)于其他金屬制造技術(shù)的益處之一是，將多種金屬熔合在一起變得更容易。反過來，這使科學(xué)家們可以嘗試不同的材料組合，并探索單一金屬結(jié)構(gòu)中不可能實現(xiàn)的可能性。一種這樣的可能性是產(chǎn)生4D打印金屬物體，即在制造之后能夠變形的物體。正如Wu博士所說，這是該團(tuán)隊最新報告的關(guān)鍵發(fā)展之一，“我們現(xiàn)在已經(jīng)展示了使用多種金屬進(jìn)行打印的能力。”

“由于兩種不同金屬的熱膨脹系數(shù)存在差異，因此我們能夠設(shè)計出可隨溫度變化的4D結(jié)構(gòu)。”
△雙金屬條的熱機(jī)械性能相關(guān)公式


△圖表：（a）在不同溫度下測量不同Cu-Ni雙金屬條的彎曲角度。（b）具有理想幾何形狀的Cu-Ni雙金屬條的理論彎曲角度。 （c）XCT重建
Cu（3hr）-Ni（1hr）和Cu（3hr）-Ni（5hr）樣品具有重建的橫截面圖像。 （d）SEM顯微照片和Cu-Ni-Cu界面的EDS映射。 （e）具有不同間隙的三層條帶的位移測量寬度以及經(jīng)過驗證的FEA模擬。 （f）雙金屬條的電導(dǎo)率測量。（g）由打印雙金屬條驅(qū)動的簡單電路的示意圖和照片。

適用于高溫應(yīng)用的4D打印
正如Wu博士在我們的談話中正確指出的那樣，4D打印通常僅限于聚合物，例如蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）可展開的桁架和代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）的自動折疊郁金香。“然而，”他補(bǔ)充說，“這些[聚合物]受其工作溫度的限制。”

△低成本電化學(xué)多金屬3D打印機(jī)圖解。 （a）前視圖。 （b）打印頭建立。 （c）突出顯示沉積噴嘴和沉積的雙金屬條的詳細(xì)視圖

Wu博士補(bǔ)充說，他的團(tuán)隊最新研究背后的驅(qū)動因素是：“采用4D金屬打印方法，可以實現(xiàn)更高的溫度操作。”此外，為了增強(qiáng)ECAM開發(fā)的最初目的，“被動驅(qū)動簡化了復(fù)雜物品的設(shè)計，使其更便宜、更可靠（更少的部件）、更節(jié)能。”

為了實現(xiàn)多金屬4D打印，ICL團(tuán)隊在2017年的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)以研制出現(xiàn)有的ECAM系統(tǒng)：“通過簡單添加另一種打印頭，使用不同的電解質(zhì)銅/硫酸銅和鎳/鎳硫酸鹽，”Wu博士解釋說，“我們能夠選擇性地在不同地點沉積不同的金屬。”

自動開關(guān)閥
為了展示ECAM的新功能，ICL團(tuán)隊3D打印了一系列自組裝結(jié)構(gòu)，包括“雙金屬條控制電路打開閥”。進(jìn)一步描述這種裝置，Wu博士說：“因此，我們可以在一個結(jié)構(gòu)中編程，無需外部控制即可開啟和關(guān)閉物體。例如，如果溫度過高，我們可能會制造一個可以限流的閥門；或者加熱時自組裝的結(jié)構(gòu)。”

通過ECAM制作的4D驅(qū)動開關(guān)的演示。

該實驗的全部結(jié)果在《使用電化學(xué)3D打印機(jī)進(jìn)行多金屬4D打印》一文中公開，由Xiaolong Chen, Xinhua Liu, Mengzheng Ouyang, Jingyi Chen, Oluwadamilola Taiwo, Yuhua Xia, Peter R. N. Childs, Nigel P. Brandon 和吳博士共同撰寫。《Multi-metal 4D printing with a
desktop electrochemical 3D printer》。
研究人員表示，盡管FDM和聚合物3D打印技術(shù)已有一系列經(jīng)濟(jì)實惠的系統(tǒng)，但金屬3D打印技術(shù)依然昂貴，這也是他們選擇集中研發(fā)金屬3D打印機(jī)的原因之一。而且材料成本、昂貴的激光系統(tǒng)和必須的氣體，如氬氣，高成本意味著金屬3D打印只適合一些工業(yè)領(lǐng)域，如醫(yī)療、航空航天和汽車制造業(yè)。而ECAM這種新工藝比目前市場上的金屬3D打印入門門檻低，但目前仍不知何時這種工藝能商業(yè)化。


來源：3D打印商情