Nature子刊：金属3D打印环保粘合剂，有望促进实验室走向应用

来源：材料科学与工程

增材制造(Additive manufacturing，简称AM)，也被称为三维(3D)打印，是第四次工业革命中最重要的技术之一，因为它可以实现产品的个性化和快速原型制作。为了拓展AM的应用范围，许多研究人员致力于开发3D打印的可打印材料和相应的技术。因此，先进和复杂的打印材料和3D打印技术的发展，加速了AM在各个行业的应用，如航空航天、生物医学和食品行业。金属AM的研究也在积极进行，以促进其在各个工业领域的应用。然而，与聚合物AM不同的是，由于打印环境的苛刻条件，金属AM仍然只适用于工业和学术规模，阻碍了消费者级桌面应用程序的实现。作为突破性技术，人们相继提出了选择性激光熔炼和电子束熔炼，但对大功率能源、惰性气体环境和高温预热的打印工艺限制了它们的应用范围。

粘结剂喷射金属3D打印(BJM3DP)是一种很有前途的AM技术，它可以选择性地将液体粘结剂喷射到金属粉末上，使颗粒之间形成粘结。BJM3DP商业化改造的技术挑战，仍然涉及克服金属AM工艺的苛刻条件，包括材料处理、后处理和质量控制。然而，迄今为止，只有少数候选金属BJ3DP已经被探索，打印物体的孔隙率和机械强度等特征远远低于上述常见的粘结剂材料。因此，目前迫切需要拓宽技术视野，深入开发新型绿色金属粘结剂，使其既环保又无害，并有可能同时实现打印制品的理想性能。

来自韩国成均馆大学的Sae Byeok Jo延世大学的Jeong Ho Cho等研究者，演示了一种适用于粘合喷射金属3D打印的水基固相粘合剂。相关论文以题为“A general fruit acid chelation route for eco-friendly and ambient 3D printing of metals”发表在Nature Communications上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27730-6

在此，研究者介绍了一种BJ3MDP的结合机制，该机制是基于使用由天然水果酸盐组成的螯合剂作为生态友好的结合剂。金属粒子之间的金属螯合桥，是通过将水喷墨喷到由均匀的金属粒子和螯合剂混合而成的粉末上而成功形成的。研究者利用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)对金属-有机络合机理进行了深入分析。然后，对3D打印的金属物体进行压缩测试，以确定其机械强度与螯合剂类型的依赖关系。最后，研究者利用各种金属打印出各种形状的物体，这表明所提出的螯合辅助BJM3DP技术，不仅有助于实现复杂复杂的结构，而且也适用于广泛的金属粉末。因此，研究者在此提出的环保螯合剂，有望促进绿色金属3D打印机充分的工业和消费水平规模的应用。

图1 环保型BJM3DP。

图2 金属粒子之间形成金属螯合桥。

图3 各种对象3D打印使用NaCit螯合剂。

图4 后处理工艺和几种可3D打印金属。

研究还表明，在Al中观察到的柠檬酸螯合化学反应，可以扩展到Cu、Fe和Ti - Al6-4V合金中。基于这些方面，所提出的使用环保螯合剂的简便方法，有望成为促进高亲和力、低成本和安全的消费者级桌面金属3D打印系统发展的基石。