水凝膠灌注金屬鹽3D打印微米級金屬部件

2022年12月1日，南極熊獲悉，加州理工學(xué)院的工程師開發(fā)了一種3D打印純金屬和多組分金屬的新方法，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有分辨率的基礎(chǔ)上再小一個數(shù)量級。該團(tuán)隊表示，通過這種水凝膠衍生的金屬具有高度孿晶的微觀結(jié)構(gòu)和異常高的硬度，為制造先進(jìn)的金屬微材料提供了途徑。該文發(fā)表在Nature雜志上。

△該團(tuán)隊的研究已發(fā)表在《自然》雜志上，描述了這一使用水基化學(xué)和3D打印的新工藝方法，題目為“通過水凝膠灌注增材制造微結(jié)構(gòu)金屬”（傳送門）

新工藝可用于多種金屬，甚至是同一制造部件中的多種金屬。只需稍作調(diào)整。它有可能為制造微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的微型組件鋪平道路。未來可用于車輛和空間應(yīng)用、熱交換器或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的精密組件。

△瑞士精密3D打印公司Cytosurge的納米級3D打印物

技術(shù)背景
在3D打印中，由于構(gòu)建對象是逐層創(chuàng)建的，因此允許創(chuàng)建傳統(tǒng)金屬成型方法（如鍛造和噴墨成型）或減法工藝無法制造的結(jié)構(gòu)，例如蝕刻或銑削。目前金屬3D打印工藝使用激光來切割金屬粉末，金屬粉末會瞬間熔化，然后凝固成特定的形狀。通過這種方式，可以創(chuàng)建分辨率約為100微米的結(jié)構(gòu)，這大致相當(dāng)于兩張紙的厚度。

問題在于，金屬，尤其是那些具有高導(dǎo)熱性的金屬，例如銅，導(dǎo)熱性非常好，以至于即使采用精細(xì)聚焦的激光，熱量也會擴(kuò)散并熔化所需區(qū)域之外的粉末，從而降低了可打印的分辨率。

該研究主要由斯坦福大學(xué)的博士后研究員Max Saccone領(lǐng)導(dǎo)，由多個研究員組成的團(tuán)隊在加州理工學(xué)院的Julia R. Greer實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)了這種新技術(shù)：他們不是直接書寫金屬，而是3D打印水凝膠，作為含金屬液體前體的支架。目前，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Kai Narita博士已從加州理工學(xué)院的手中獲得了這項(xiàng)新技術(shù)的授權(quán)，并且成立了一家名為3D Architech的公司打算將該技術(shù)商業(yè)化。

Saccone解釋道：“我們必須開發(fā)一種新的方法，在不依靠傳統(tǒng)的熱傳遞工藝基礎(chǔ)上來打印我們的構(gòu)建物”

他說：“水凝膠是由不溶于水的柔性聚合物鏈制成的材料，用于軟性隱形眼鏡等產(chǎn)品。來自低功率紫外線燈的光能夠在液態(tài)聚合物中引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，通過誘導(dǎo)聚合物鏈的交聯(lián)使它們硬化。如果您以特定模式一遍又一遍地重復(fù)該過程，則可以形成所需的微觀形狀�！�

△以微觀分辨率3D打印的銅結(jié)構(gòu)

水凝膠灌注工藝和它的可控“反應(yīng)”
然后，加州理工學(xué)院的研究人員向3D打印的水凝膠支架注入溶于水的金屬鹽，使金屬離子滲透到水凝膠中，而不僅僅是涂在表面。然后，研究人員在一個達(dá)到700至1100攝氏度的熔爐中通過高溫的形式蒸發(fā)掉水凝膠，這取決于材料的具體情況。例如，在金屬的熔點(diǎn)高于水凝膠的情況下，金屬可以保持完整并完成去除工作。

熱量不僅會去除水凝膠，還會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)隨著水凝膠的燃燒而收縮，從而形成更細(xì)小的金屬結(jié)構(gòu)。通過這個過程，除了純金屬之外，該團(tuán)隊還可以3D打印金屬合金和多組分金屬結(jié)構(gòu)，特征尺寸約為40微米，或不到人類頭發(fā)絲寬度的一半。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的博士后研究員Rebecca Gallivan說：“該研究令人興奮的地方是它可以與多種金屬一起工作，只需稍微調(diào)整過程的‘反應(yīng)’階段，并為微型材料工程創(chuàng)造新的機(jī)會。”在開發(fā)該工藝時，該團(tuán)隊生產(chǎn)了由銅、鎳、銀和各種金屬合金制成的3D打印結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)研究獲得了美國能源部、雷斯尼克可持續(xù)發(fā)展研究所、Masason基金會和加州理工學(xué)院的AI4Science計劃資助。