電化學(xué)去除金屬3D打印支撐

導(dǎo)讀：雖然目前金屬3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度非常快，但其中仍有許多問題有待解決，其中之一就是去除支撐結(jié)構(gòu)。這可以通過機械加工實現(xiàn)，或者采用可溶性材料（如Stratasys等公司研發(fā)的材料）實現(xiàn)。機械加工方法很麻煩，還有可能對打印件造成損傷�？扇苄圆牧系姆N類有其局限性，一般只適用于塑料材料，對于金屬支撐，這種方法就起不到作用了。



電化學(xué)去除金屬支撐概述
南極熊了解到，早在2016年，來自亞利桑那州立大學(xué)（ASU）的研究者們就提出了利用電化學(xué)的方法去除金屬支撐，這個方法已經(jīng)申請了國外專利。原理如下圖所示：



圖中灰色部分實際需要的零件實體，為了確保打印成功，通常需要對零件的實體部分添加支撐就是圖中的黑色部分。電化學(xué)去除支撐本質(zhì)上是“犧牲陽極的陰極保護(hù)法”，這種方法通常用于防止金屬腐蝕，即將還原性較強的金屬作為保護(hù)極，與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強的金屬將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的金屬作為正極就可以避免腐蝕。不論是位于同一電解質(zhì)的兩種互相接觸金屬還是一種材料不同部位位于不同電解質(zhì)（比如船體位于水面上下部分）。發(fā)生陽極氧化的材料具有更負(fù)的還原電位，它會優(yōu)先于零件材料被氧化。支撐材料就相當(dāng)于還原性較強的陽極材料，被去除掉。

第一個電化學(xué)金屬支撐解決方案

南極熊了解，這種方法已經(jīng)提出了有近五、六年的時間，但研究者們對它的研究還是很少。亞利桑那州立大學(xué)（ASU）的研究者最早（2016年）利用這種方法去除了金屬支撐。下面是金屬3D打印支撐溶解電化學(xué)過程。


在此研究中，研究人員3D打印的零件材料是304不銹鋼，使用的支撐材料是碳鋼，具體原理是通過使用硝酸和氧氣的電化學(xué)刻蝕技術(shù)去除碳鋼支撐。這種方法已經(jīng)被證明是具有可行性的，而且更重要的是，它不會對不銹鋼的打印件造成任何影響。下圖為研究者們使用碳鋼作為支撐制造了一個不銹鋼橋，然后通過電化學(xué)（41wt.%的硝酸溶液和氧氣）除去碳鋼。一開始，研究者們沒有使用氧氣，他們發(fā)現(xiàn)這種情況下的腐蝕速度太慢了，10個小時才除掉了1.4mm碳鋼。后來，他們引入了氧氣以加速反應(yīng)，完全去除剩余的7mm碳鋼只用了6個小時。


△電化學(xué)刻蝕技術(shù)去除碳鋼支撐

南極熊發(fā)現(xiàn)，利用電化學(xué)刻蝕的方法去除金屬支撐在原理上是具有可行性的（通過實驗也已經(jīng)證明），但國內(nèi)外對此技術(shù)的研究還十分少，目前還沒有成熟的工業(yè)應(yīng)用，主要存在以下幾個方面的問題：
●犧牲陽極材料必須與打印材料具有冶金兼容性，也就是說必須有類似的晶體結(jié)構(gòu)、熱導(dǎo)率，以及熱膨脹系數(shù)，并且不能生成有害的金屬間化合物。這能夠保證犧牲陽極和打印件之間的接觸部分具有足夠的機械強度以承受金屬3D打印過程中的極端熱循環(huán)所引起的應(yīng)力。

●必須使用一種高腐蝕性電解質(zhì)。與打印材料相比，這種電解質(zhì)必須能以較高的選擇性（> 100：1）溶解犧牲陽極。

●過程需要可控，精度的保證較為困難�；瘜W(xué)反應(yīng)速率和時間難控制，有時會使得打印材料也少量的被去除或者支撐材料去除不完全。

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