加州理工學(xué)院開發(fā)新興高精度金屬3D打印技術(shù)：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(lái)自加州理工學(xué)院Kavli 納米科學(xué)研究所的Julia Greer教授和Greer團(tuán)隊(duì)開發(fā)一種新的高精度金屬3D打印技術(shù)，該技術(shù)是基于水凝膠注入的成型技術(shù),，可用于成型特征尺寸在100微米左右的多種精細(xì)金屬部件,。

相關(guān)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(gòu)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(zhǎng)期以來(lái),，Greer團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直在探索的一個(gè)新領(lǐng)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(chǎn)結(jié)構(gòu)。然后這些結(jié)構(gòu)被填充上金屬或陶瓷前體,，再通過反應(yīng)變成最終的金屬部件,。此前，Greer團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在金屬氧化物（即氧化鋅）,，以及制造電極方面進(jìn)行了研究,。一般來(lái)講，研究人員成型部件往往會(huì)使用一些非常富有成效的光聚合工藝,，如：數(shù)字光處理（DLP）,、立體光刻（SLA）和使用標(biāo)準(zhǔn)打印機(jī)和材料的掩膜SLA（mSLA）。

該團(tuán)隊(duì)仍是基于大桶光聚合技術(shù)（主要是DLP）來(lái)3D打印水凝膠,，然后用金屬前驅(qū)體填充結(jié)構(gòu),，并對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)，經(jīng)過這個(gè)熱過程就會(huì)產(chǎn)生金屬部件,。該團(tuán)隊(duì)表示,，它已經(jīng)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(rèn)為,，材料可以被調(diào)整，甚至可以制成多邊零件,。

研究人員用于測(cè)試的3D打印晶格結(jié)構(gòu)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(jìn)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(xiàng)工作的一個(gè)獨(dú)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(shí)進(jìn)行燒結(jié)。一個(gè)奇怪的細(xì)節(jié)是,，硬度似乎比預(yù)期的高47%至15%,，這可能是有待進(jìn)一步開發(fā)的東西。一般來(lái)說,，需要控制燒結(jié)過程,，這對(duì)許多幾何形狀的工業(yè)化來(lái)說，可能是一個(gè)有點(diǎn)挑戰(zhàn)的問題,。收縮率約為60%,，這也會(huì)限制幾何形狀和工藝控制。

小零件的間接金屬3D打印

這項(xiàng)間接金屬3D打印技術(shù)通過使用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)藥品,，不需要新的機(jī)器或設(shè)置,，而且成本很低。這可能導(dǎo)致這它會(huì)快速在客戶方得到應(yīng)用,，因?yàn)樗麄儞碛斜匾�的設(shè)備和部分工藝的知識(shí),，像Arkema或Stratasys的這樣的材料廠商也會(huì)大力支持這種工藝的進(jìn)一步推廣，很多方面可以聯(lián)合起來(lái)促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化,。此外,，通過使用大桶光聚合，他們可以在生產(chǎn)精確,、微小的細(xì)節(jié)和特征方面搭上這項(xiàng)技術(shù)的“便車”,。由此產(chǎn)生的零件是小而精確的，也許對(duì)于創(chuàng)建微通道網(wǎng)格構(gòu)件來(lái)說,，這種技術(shù)確實(shí)可以成為一種性價(jià)比非常高的選擇。

與這項(xiàng)技術(shù)相似的工作還包括直寫式3D打印和雙光子光聚合法。這項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用的另一種結(jié)果是大桶光聚合的部件被碳化,，成為良好的導(dǎo)體,。從整體上看，這里與硬度,、耐火材料和薄梁晶格構(gòu)件有關(guān)的細(xì)節(jié)可能是獨(dú)一無(wú)二的,。

現(xiàn)在，還有其他與之相似的技術(shù)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(shù),，在這種情況下,，樹脂被預(yù)先添加了金屬顆粒，再使用大桶光聚合系統(tǒng)進(jìn)行打印,。然后對(duì)零件進(jìn)行脫模和燒結(jié),。當(dāng)然，這需要許多步驟,，而且漿料SLA的零件尺寸不大,。燒結(jié)也會(huì)暴露出收縮的問題。然而,，對(duì)于某些幾何形狀,，漿料SLA可以制造出具有很好的內(nèi)表面紋理的詳細(xì)零件（因?yàn)闃渲�是支撐物，可以清洗掉��,。�?duì)于稍大的部件,，還有粘結(jié)劑噴射方法可以選擇，這本身就可以是一種高產(chǎn)和廉價(jià)的技術(shù),。人們還可以考慮失蠟鑄造和大桶光聚合,。對(duì)于微小的零件，人們可能不會(huì)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(shù)在這里可能具有競(jìng)爭(zhēng)力。

所有這些技術(shù)都在爭(zhēng)奪一個(gè)潛在的非常有競(jìng)爭(zhēng)力的空間,，其中數(shù)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(dá)到的產(chǎn)量可能是驚人的,。類似MOSFET的設(shè)備、散熱器,、電子元件,、天線,、電池、傳感器和更多,，都可能產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億的零件需求,。

要做到這一點(diǎn)，就必須有人能夠以合適的價(jià)格,，以合適的規(guī)格制造合適的幾何形狀,。與其他技術(shù)相比，矩陣式結(jié)構(gòu),、過濾器,、TPMS場(chǎng)、網(wǎng)狀物和柔性電池等應(yīng)用可能最好用這種技術(shù)3D打印,。一個(gè)小而強(qiáng)的晶格將是這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)很好的應(yīng)用,。當(dāng)然，現(xiàn)在,，它需要首先進(jìn)行工業(yè)化,，并需要新的設(shè)備。這仍然是非常早期的事情,，但可能是一個(gè)非常富有成效的方法,。