利用电化学工艺的多金属4D打印

供稿人:钟琪 田小永

电化学增材制造（Electrochemical Additive Manufacturing，ECAM）是伦敦帝国理工学院（ICL）开发的低成本金属制造新方法。ICL团队最近发表了一篇关于ECAM 4D打印潜力的论文。

ECAM是一种基于电镀原理的制造方法，通常用于为珠宝首饰增加贵金属层。它使用带电金属离子的液体溶液作为原料，在与带负电的铜床接触时产生固体金属层。用于该过程的常用材料包括铜、锌、镍和锡，也可以使用合金。基本上，任何可以电镀的金属都可以用于ECAM工艺。

图1 多金属3D打印过程的示意图. (a) 铜金属电沉积过程. (b) 镍金属电沉积过程。

对比于其他金属制造技术，如选择性激光熔化SLM，电化学工艺的优势之一是将多种金属熔合在一起变得更容易。这使科学家们可以尝试不同的材料组合，并探索单一金属结构中不可能实现的技术。一种技术就是制造4D打印金属零件，即在制造之后能够变形的物体。这是该论文中所述的关键发展之一，展示了使用多种金属进行3D打印的能力。利用两种不同金属的热膨胀系数存在的差异，能够设计出能够随温度变化的4D结构。

而通常，4D打印使用的材料仅限于高分子，例如苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）可展开的桁架结构和代尔夫特理工大学（TU Delft）的自动折叠郁金香。然而，这些高分子材料会受其工作温度的限制。而采用多金属4D打印方法，就允许制造的零件在更高的温度下工作。

ICL团队通过两个打印头，使用不同的电解质铜/硫酸铜和镍/硫酸镍，能够选择性地在不同位置放置不同金属，实现多金属4D打印，如图1所示。

为了展示ECAM的新功能，ICL团队3D打印了一系列自组装结构，包括双金属条控制电路打开灯，如图2所示。利用该技术，我们可以在一个结构中编程，无需外部控制即可开启和关闭物体。例如，如果温度过高，我们可能会制造一个可以收缩流量的阀门，或者制作加热时自组装的结构。

图2 由3D打印双金属条驱动的简单电路原理图和照片

参考文献：
Chen X, Liu X, Ouyang M, et al. Multi-metal 4D printing with a desktop electrochemical 3D printer[J]. Scientific reports, 2019, 9(1): 3973.

供稿人:钟琪 田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室