兩全其美：一種新的金屬-塑料混合3D打印技術(shù)

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

同時(shí)打印金屬和塑料，由于兩者的熔點(diǎn)差異較大導(dǎo)致打印非常困難。如今,，來(lái)自日本W(wǎng)aseda University的研究人員發(fā)明了一種新的復(fù)合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)金屬和塑料的同時(shí)打印,，這一成果發(fā)表在期刊《Additive Manufacturing》上,。

圖1 一種將3D打印機(jī)的使用擴(kuò)展到3D電子產(chǎn)品的方法,，用于未來(lái)機(jī)器人技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)打印金屬和塑料

3D打印技術(shù)在過(guò)去十年中取得了巨大的發(fā)展,，現(xiàn)在可以在工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn),。3D打印也稱為“增材制造”，它允許人們直接從原材料中制造任意復(fù)雜的3D物體,。在最流行的3D打印工藝熔絲制造中,，塑料或金屬被熔化并由打印機(jī)頭通過(guò)小噴嘴擠出，然后立即固化并與零件的其余部分熔合,。然而,，由于塑料和金屬的熔點(diǎn)差異很大，這項(xiàng)技術(shù)迄今僅限于制造金屬或塑料物體,。

最近發(fā)表在《增材制造—Additive Manufacturing》雜志上的一項(xiàng)研究中,，日本早稻田大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)了一種新的混合復(fù)合技術(shù)，可以生產(chǎn)由金屬和塑料制成的3D 物體,。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Shinjiro Umezu教授解釋了他們的動(dòng)機(jī)：“盡管3D打印機(jī)可以讓我們用金屬和塑料創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu),，但我們身邊的大多數(shù)物體都是由兩者結(jié)合而成，包括電子設(shè)備,。因此,，我們認(rèn)為，如果我們能夠利用傳統(tǒng)的3D打印機(jī)來(lái)創(chuàng)建由金屬和塑料制成的3D物體,，我們將能夠擴(kuò)大其應(yīng)用,。”

他們的方法實(shí)際上是對(duì)用于金屬涂覆3D塑料結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)金屬化工藝的重大改進(jìn),。在傳統(tǒng)方法中,，塑料物體經(jīng)過(guò)3D打印，然后浸入含有鈀（Pd）的溶液中,，鈀附著在物體表面,。然后，將工件浸入化學(xué)鍍液中,，使用沉積的Pd作為催化劑,，使溶解的金屬離子粘附在物體上。這種方法在技術(shù)上雖然是合理的,，但傳統(tǒng)方法會(huì)產(chǎn)生不均勻的金屬涂層,，并且與塑料結(jié)構(gòu)的粘附性很差。

圖2：A：3D打印塑料結(jié)構(gòu)金屬化的常規(guī)方法,。需要濕式預(yù)處理來(lái)催化工件表面,。Pd膠體沉積在表面上。然后，將Pd催化的工件浸入化學(xué)沉積浴中,，以在表面上涂覆感興趣的金屬,。Pd催化劑誘導(dǎo)無(wú)電沉積。但是,，由于3D打印機(jī)中使用的塑料（本研究中為 ABS）主要是疏水性的,，因此沉積的金屬對(duì)表面的附著力不強(qiáng)，因此涂層不均勻,。B：本文在3D打印塑料結(jié)構(gòu)的選定區(qū)域上沉積金屬提出的方法,。除了純塑料ABS燈絲外，還有含有PdCl2的ABS燈絲,。在3D打印中,，工件的基本結(jié)構(gòu)使用純ABS燈絲制造，并采用含有PdCl2的ABS燈絲涂覆選定的感興趣區(qū)域（圖中黃色部分）,。由于工件在選定區(qū)域被Pd催化,，因此可以直接浸入化學(xué)鍍槽中（即A中的催

圖3  使用不同催化方法獲得的3D打印ABS結(jié)構(gòu)。(A) 圖1A所示的常規(guī)方法：浸入 Pd 離子溶液中,。雙面箭頭表示浸入深度,。(B) 區(qū)域選擇性催化：通過(guò)噴嘴在氣壓下粘附ABS和PdCl2混合物丙酮溶液。(C) 區(qū)域選擇性催化：使用含有PdCl2的ABS燈絲通過(guò)FFF 3D打印機(jī)粘貼含有PdCl2的ABS,。左圖是3D打印和催化過(guò)程后的圖像,，右圖是化學(xué)沉積后的圖像。

3D打印塑料結(jié)構(gòu)金屬化的傳統(tǒng)方法和本文所提出的方法概述,。與傳統(tǒng)技術(shù)不同,，本文所提出的雙噴嘴方法僅在所需區(qū)域產(chǎn)生具有均勻且牢固粘附的金屬涂層的3D物體。

相比之下,，在新的混合方法中,，使用的是帶有雙噴嘴的打印機(jī)；一個(gè)噴嘴用于擠出標(biāo)準(zhǔn)熔融塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS））,，而另一個(gè)噴嘴擠出裝有二氯化鈀（PdCl2）的ABS,。通過(guò)使用一個(gè)噴嘴或另一個(gè)噴嘴選擇性地打印層厚，3D物體的特定區(qū)域含有Pd,。然后,，通過(guò)化學(xué)鍍，最終獲得僅在選定區(qū)域上具有金屬涂層的塑料結(jié)構(gòu),。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，使用這種方法時(shí),，金屬涂層的附著力要高得多,。更重要的是，由原材料中含有Pd ，與傳統(tǒng)方法不同,，他們的技術(shù)不需要對(duì)ABS結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何類型的粗糙化或蝕刻來(lái)促進(jìn)催化劑的沉積,。這一點(diǎn)尤其重要，考慮到這些額外的步驟不僅會(huì)對(duì)3D物體本身造成損害,，還會(huì)因?yàn)槭褂昧算t酸等有毒化學(xué)物質(zhì)而對(duì)環(huán)境造成損害,。最后，他們的方法與現(xiàn)有的熔絲制造3D打印機(jī)完全兼容,。

Umezu認(rèn)為,，考慮到金屬塑料混合3D打印在3D電子產(chǎn)品中的潛在應(yīng)用，它在不久的將來(lái)可能會(huì)變得非常重要,，這是即將到來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應(yīng)用的焦點(diǎn),。在這方面，他補(bǔ)充道：“我們的混合3D打印方法為制造3D電子產(chǎn)品開辟了可能性,，這樣用于醫(yī)療保健和護(hù)理的設(shè)備以及機(jī)器人可能比我們今天所擁有的更好,。”

這項(xiàng)研究有望為復(fù)合 3D打印技術(shù)鋪平道路,，使我們能夠充分利用金屬和塑料的優(yōu)點(diǎn),。

文章來(lái)源：Waseda University和Jing Zhan et al, Metal-plastic hybrid 3D printing usingcatalyst-loaded filament and electroless plating, AdditiveManufacturing (2020). DOI:10.1016/j.addma.2020.101556以及Shinjiro Umezu