用于原位微结构控制的微金属3D打印工艺面世

来源:3D打印商情

德克萨斯大学达拉斯分校机械工程系的一组研究人员发明了一种基于电化学的金属3D打印方法，命名为局部脉冲电沉积（L-PED）。采用该方法，该团队在打印过程中获得了金属微结构的原位控制。L-PED不受后处理的影响，通过调整工艺参数，增强了3D打印纯晶体金属的机械和电气性能。

采用L-PED的微型金属3D打印
在L-PED中，电沉积用所选金属的电解质限制在喷嘴尖端。当喷嘴接近基板时，金属离子沉积在导电基板和喷嘴之间形成的弯月面上。以毫秒为间隔在喷嘴和基板之间重复施加非常高的电流。

在标准条件下，该团队设法获得90±5％的电流效率，这意味着杂质或氧气的存在最少。喷嘴和基板的相对位置的精确和受控的运动使得结构能够以期望的3D几何形状打印。通过该方法可以打印不同的几何形状，例如独立式线，微柱（μ柱）和逐层结构。

L-PED 3D打印过程的原理图。

增强强度，延展性和导电性
使用L-PED工艺，直接3D打印数十个铜μ柱。几十个铜μ-支柱直接进行3D打印。聚焦离子束从感兴趣材料的薄膜中制备出平均电流密度为2~35 nm s^-1的相似μ柱。。对于此参数范围，所有打印的铜μ柱都包含双边界。已知存在平行的孪晶边界阵列以增强机械和电气性能。

（E）3D打印的μ柱（F）阵列的SEM图像，通过逐层L-PED（G）螺旋图案打印的40层结构和（H）a的特写视图μ-支柱。

控制L-PED微观结构的关键参数是平均电流密度。平均电流密度与平均沉积速率成正比。随着沉积速率增加，孪晶边界的密度增加。随机取向的晶粒变得更加圆柱形并且尺寸更小，晶粒内部的孪生晶界变得更加整齐划一。

为了研究打印铜的微观结构与性能之间的关系，在原位打描电镜（SEM）微压缩实验中，对打印铜柱进行了测试。原位SEM纳米化学实验的结果显示，平均电流密度增加约1.7倍，导致金属沉积速率增加约1.4倍，这导致打印金属的流动应力增强约44％。特别是，通过在打印期间改变微结构，可以将3D打印铜的流动应力调整为块状铜的3-5倍。

使用三种不同的平均电流密度和压缩的μ柱对打印的μ柱进行原位SEM微压缩实验。

研究人员通过控制平均电流密度成功地证明了对孪晶边界和晶粒尺寸的密度和取向的控制。精细的铜3D打印具有良好对齐和高密度的双边界，显示出具有高强度、延展性和导电性。

微尺度金属增材制造

虽然目前微型AM的重点是创造具有复杂几何形状的微小结构，但该行业面临的最严峻挑战之一是对打印金属的材料特性的控制。目前可用的物理和化学金属μ-AM工艺的实例是直接油墨打印（DIW）和电流体动力学打印（EHD）。DIW和EHD通常需要热处理以从打印复合材料中除去有机基质。通常高达400-500℃，在后处理过程中经常发生明显的孔隙率，致密化和金属相的晶粒生长。

实现对微结构的原位控制，L-PED明显优于目前可用的图案化和3D打印金属工艺。研究的共同作者之一Soheil Daryadel说：“这一重要的进步消除了后处理工程微观结构的需要，这通常会对材料特性产生不良影响。”

由于其优异的材料特性，L-PED为实现金属μ-AM的功能应用铺平了道路，如电子器件、微机电系统（MEMS）、光学器件和传感器等。但目前，只能沉积有限数量的金属，包括铜，铂，金，未来仍将通过L-PED打印其他金属和合金。

论文《使用局部电沉积控制微尺度铜增材制造中的微观结构》发表在Advanced Engineering Materials杂志上。它由Soheil Daryadel、Ali Behroozfar和Majid Minary-Jolandan共同撰写。