瑞士：激动人心的新技术多金属电液氧化还原3D打印

来源：增材之光

瑞士的研究人员解释了更多关于金属溶解和再沉积在液体溶剂中如何通过促进制造而无需后处理来进一步AM工艺的问题。他们的发现在最近出版的“亚微米级多金属电液氧化还原3D打印”中概述了这一新方法允许用户从具有多个通道的单个喷嘴创建多晶多金属3D结构。

作者指出，微尺度上的增材制造是非常流行的，特别是与材料相关的扩展能力。用户需要更多，尤其是在工业层面；但实际上，挑战仍然存在：“首先，常见的多喷嘴方法对3D化学结构的复杂性实施了广泛的实际限制；其次，无机材料的沉积性质，主要是作为纳米粒子油墨分配，往往远不符合微加工的要求，因此所需的印后加工使许多材料组合大大复杂化。”研究人员表示。

无油墨电动流体动力学氧化还原打印（EHD-RP）通过直接打印和来自一个喷嘴的材料组合消除了金属中的这些问题。作者说，他们的新方法提供了对打印结构3D化学结构的无与伦比的控制。在EHD-RP中可以使用许多不同的金属，既可以直接打印，也可以间接打印。

图1：电流体动力学氧化还原打印（EHD-RP）。工作原理：（1）通过浸没在液体溶剂中的金属电极M0的电腐蚀在打印喷嘴内产生溶剂化金属离子Mz +。（2）通过电流体力喷射离子负载的溶剂液滴。（3）着陆时，Mz +离子通过从基底的电子转移被还原为零价金属M0。在多通道喷嘴中切换不同电极之间的氧化电压使得能够对打印化学物质进行动态调制（原理图未按比例绘制：电极线的典型尺寸为100μm×2cm）。b典型的双通道喷嘴。c打印过程的光学显微照片。比例尺：10μm。 d，e从单个双通道喷嘴打印Cu，Ag和Cu-Ag。 d偏置Cu电极，Ag电极或浸入乙腈（ACN）中的两个电极时喷射离子的质谱。e打印的Cu，Ag和Cu-Ag柱具有相应的能量色散X射线（EDX）光谱，反映了相应源电极的化学性质（减去背景）。C-K和O-K峰可能分别源自残留溶剂和轻微氧化。Cu-Ag柱的Cu和Ag含量在at%中给出，标准化为总的Cu+Ag信号。比例尺：500nm。

作者提到，尽管在切换过程中横向偏差非常小，但两种金属之间存在一些轻微偏移的迹象。作者指出，这通常是由于喷嘴的不对称造成的。几何和保真度的复杂性并不有作者所希望的那么高，但他们表示这是基于EHD的微缩打印技术中的常见问题。

图2：几何性能和打印微结构。50×50铜柱阵列，点对点间距为500 nm。比例尺：5μm。 b墙，以逐渐减小的墙到墙间距打印，最小间距为250nm。高度：最左边的图像为10层，其他为3层。比例尺：1μm。c打印的Cu线宽度小于100nm。d纵横比约为400的铜线.e通过平台的横向平移形成的悬垂，平衡了平面外的生长速率。通过朝向前柱增加相应的面内平移速度来打印柱的顺序，最大速度为2.1μms-1。比例尺：1μm。f采用逐层策略打印的同心，平面外正弦波。比例尺：2μm。g打印的Cu柱和相应的横截面，显示致密的多晶微结构。比例尺：200nm

该工艺还改善了机械和电气性能，从而可用于制造传感器或致动器、光学超材料和小规模引线键合的应用。在这项研究中，研究人员只使用了三种金属，但使用带有额外通道的喷嘴可以增加这一数量。

“因此，EHD-RP具有开启独特路线的潜力，可自下而上制造具有局部调谐特性和合理使用合金元素的化学设计3D器件和材料。这些材料可用于催化、活性化学装置、小型机器人和超出单一材料细胞设计的建筑材料。”研究人员总结说。

虽然你可能会看一个像电流体动力学氧化还原3D打印这样的术语，并认为现在真的已经出现了，但这个过程背后的想法非常简单，但有两个方面：进一步完善3D打印和增材制造，并削减可怕的后期处理流程仍然很普遍。研究人员一直致力于解决这个问题，从创建后处理硬件到消除彩色3D打印再到为牙科打印机提供自动化的后处理。

图3：使用单个喷嘴对化学结构进行增材控制。a，b从双通道喷嘴打印的两种金属之间快速切换。a在以不同间隔切换铜（Cu）和银（Ag）电极之间的阳极电压时喷射的Cu +（红色）和Ag +（蓝色）阳离子的总质谱（MS）离子电流。在两个喷射的离子物质之间切换是高度选择性的。b使用与a中相同的开关轮廓（Cu-L信号红色，Ag-L信号蓝色）打印的覆盖SE显微照片和EDX元素的轨迹图。相应的EDX线轮廓显示铜（Cu）和银（Ag）之间的切换被解析到最小脉冲宽度。比例尺：2μm。 c，d使用单个喷嘴打印的化学异质结构的实例。c柱序列具有不同数量的铜（Cu）和银（Ag）调制周期。比例尺：1μm。d平面外铜（Cu）壁，字母'Ag'嵌入银中，以连续的逐层打印模式打印。