两全其美：一种新的金属-塑料混合3D打印技术

来源：江苏激光联盟

同时打印金属和塑料，由于两者的熔点差异较大导致打印非常困难。如今，来自日本Waseda University的研究人员发明了一种新的复合技术，可以实现金属和塑料的同时打印，这一成果发表在期刊《Additive Manufacturing》上。

图1 一种将3D打印机的使用扩展到3D电子产品的方法，用于未来机器人技术和物联网应用，可以实现同时打印金属和塑料

3D打印技术在过去十年中取得了巨大的发展，现在可以在工业环境中进行大规模生产。3D打印也称为“增材制造”，它允许人们直接从原材料中制造任意复杂的3D物体。在最流行的3D打印工艺熔丝制造中，塑料或金属被熔化并由打印机头通过小喷嘴挤出，然后立即固化并与零件的其余部分熔合。然而，由于塑料和金属的熔点差异很大，这项技术迄今仅限于制造金属或塑料物体。

最近发表在《增材制造—Additive Manufacturing》杂志上的一项研究中，日本早稻田大学的科学家开发了一种新的混合复合技术，可以生产由金属和塑料制成的3D 物体。领导这项研究的Shinjiro Umezu教授解释了他们的动机：“尽管3D打印机可以让我们用金属和塑料创建3D结构，但我们身边的大多数物体都是由两者结合而成，包括电子设备。因此，我们认为，如果我们能够利用传统的3D打印机来创建由金属和塑料制成的3D物体，我们将能够扩大其应用。”

他们的方法实际上是对用于金属涂覆3D塑料结构的传统金属化工艺的重大改进。在传统方法中，塑料物体经过3D打印，然后浸入含有钯（Pd）的溶液中，钯附着在物体表面。然后，将工件浸入化学镀液中，使用沉积的Pd作为催化剂，使溶解的金属离子粘附在物体上。这种方法在技术上虽然是合理的，但传统方法会产生不均匀的金属涂层，并且与塑料结构的粘附性很差。

图2：A：3D打印塑料结构金属化的常规方法。需要湿式预处理来催化工件表面。Pd胶体沉积在表面上。然后，将Pd催化的工件浸入化学沉积浴中，以在表面上涂覆感兴趣的金属。Pd催化剂诱导无电沉积。但是，由于3D打印机中使用的塑料（本研究中为 ABS）主要是疏水性的，因此沉积的金属对表面的附着力不强，因此涂层不均匀。B：本文在3D打印塑料结构的选定区域上沉积金属提出的方法。除了纯塑料ABS灯丝外，还有含有PdCl2的ABS灯丝。在3D打印中，工件的基本结构使用纯ABS灯丝制造，并采用含有PdCl2的ABS灯丝涂覆选定的感兴趣区域（图中黄色部分）。由于工件在选定区域被Pd催化，因此可以直接浸入化学镀槽中（即A中的催

图3  使用不同催化方法获得的3D打印ABS结构。(A) 图1A所示的常规方法：浸入 Pd 离子溶液中。双面箭头表示浸入深度。(B) 区域选择性催化：通过喷嘴在气压下粘附ABS和PdCl2混合物丙酮溶液。(C) 区域选择性催化：使用含有PdCl2的ABS灯丝通过FFF 3D打印机粘贴含有PdCl2的ABS。左图是3D打印和催化过程后的图像，右图是化学沉积后的图像。

3D打印塑料结构金属化的传统方法和本文所提出的方法概述。与传统技术不同，本文所提出的双喷嘴方法仅在所需区域产生具有均匀且牢固粘附的金属涂层的3D物体。

相比之下，在新的混合方法中，使用的是带有双喷嘴的打印机；一个喷嘴用于挤出标准熔融塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）），而另一个喷嘴挤出装有二氯化钯（PdCl2）的ABS。通过使用一个喷嘴或另一个喷嘴选择性地打印层厚，3D物体的特定区域含有Pd。然后，通过化学镀，最终获得仅在选定区域上具有金属涂层的塑料结构。

科学家们发现，使用这种方法时，金属涂层的附着力要高得多。更重要的是，由原材料中含有Pd ，与传统方法不同，他们的技术不需要对ABS结构进行任何类型的粗糙化或蚀刻来促进催化剂的沉积。这一点尤其重要，考虑到这些额外的步骤不仅会对3D物体本身造成损害，还会因为使用了铬酸等有毒化学物质而对环境造成损害。最后，他们的方法与现有的熔丝制造3D打印机完全兼容。

Umezu认为，考虑到金属塑料混合3D打印在3D电子产品中的潜在应用，它在不久的将来可能会变得非常重要，这是即将到来的物联网和人工智能应用的焦点。在这方面，他补充道：“我们的混合3D打印方法为制造3D电子产品开辟了可能性，这样用于医疗保健和护理的设备以及机器人可能比我们今天所拥有的更好。”

这项研究有望为复合 3D打印技术铺平道路，使我们能够充分利用金属和塑料的优点。

文章来源：Waseda University和Jing Zhan et al, Metal-plastic hybrid 3D printing usingcatalyst-loaded filament and electroless plating, AdditiveManufacturing (2020). DOI:10.1016/j.addma.2020.101556以及Shinjiro Umezu