加州理工学院开发新兴高精度金属3D打印技术：基于水凝胶注入的光固化成型

2022年10月28日，南极熊获悉，来自加州理工学院Kavli 纳米科学研究所的Julia Greer教授和Greer团队开发一种新的高精度金属3D打印技术，该技术是基于水凝胶注入的成型技术，可用于成型特征尺寸在100微米左右的多种精细金属部件。

相关研究成果以题为 "Additive manufacturing ofmicro-architected metals via hydrogel infusion/通过水凝胶灌注的微架构金属的增材制造 "的论文被发表在《自然》杂志上，作者为Max A Saccone和Rebecca A Gallivan。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05433-2

长期以来，Greer团队致力于分层、纳米、电池和其他新材料，以及3D打印的工艺。水凝胶衍生材料也是该团队多年来一直在探索的一个新领域。

△JuliaR. Greer教授

用水凝胶3D打印金属零件

总体而言，水凝胶的3D打印多是使用大桶光聚合工艺生产结构。然后这些结构被填充上金属或陶瓷前体，再通过反应变成最终的金属部件。此前，Greer团队已经在金属氧化物（即氧化锌），以及制造电极方面进行了研究。一般来讲，研究人员成型部件往往会使用一些非常富有成效的光聚合工艺，如：数字光处理（DLP）、立体光刻（SLA）和使用标准打印机和材料的掩膜SLA（mSLA）。

该团队仍是基于大桶光聚合技术（主要是DLP）来3D打印水凝胶，然后用金属前驱体填充结构，并对其进行烧结，经过这个热过程就会产生金属部件。该团队表示，它已经制成了尺寸约为40微米的物体，具有非常高的硬度。此外，研究人员认为，材料可以被调整，甚至可以制成多边零件。

研究人员用于测试的3D打印晶格结构是用50微米左右的光斑固化制成的，生成部件是特征尺寸为100微米的硬部件。研究人员用镍、银和铜以及钨铌进行了研究，钨铌是一种难以成型的难熔金属组合。他们还能够混合多种材料，如铜和钴。这项工作的一个独特之处在于，从水凝胶步骤开始，可以在不同的区域放入不同的金属盐，然后可以同时进行烧结。一个奇怪的细节是，硬度似乎比预期的高47%至15%，这可能是有待进一步开发的东西。一般来说，需要控制烧结过程，这对许多几何形状的工业化来说，可能是一个有点挑战的问题。收缩率约为60%，这也会限制几何形状和工艺控制。

小零件的间接金属3D打印

这项间接金属3D打印技术通过使用标准的化学药品，不需要新的机器或设置，而且成本很低。这可能导致这它会快速在客户方得到应用，因为他们拥有必要的设备和部分工艺的知识，像Arkema或Stratasys的这样的材料厂商也会大力支持这种工艺的进一步推广，很多方面可以联合起来促进其产业化。此外，通过使用大桶光聚合，他们可以在生产精确、微小的细节和特征方面搭上这项技术的“便车”。由此产生的零件是小而精确的，也许对于创建微通道网格构件来说，这种技术确实可以成为一种性价比非常高的选择。

与这项技术相似的工作还包括直写式3D打印和双光子光聚合法。这项技术被应用的另一种结果是大桶光聚合的部件被碳化，成为良好的导体。从整体上看，这里与硬度、耐火材料和薄梁晶格构件有关的细节可能是独一无二的。

现在，还有其他与之相似的技术存在。例如HoloAM、MetShape、Incus和Lithoz使用一种被称为"浆料SLA"的光固化技术，在这种情况下，树脂被预先添加了金属颗粒，再使用大桶光聚合系统进行打印。然后对零件进行脱模和烧结。当然，这需要许多步骤，而且浆料SLA的零件尺寸不大。烧结也会暴露出收缩的问题。然而，对于某些几何形状，浆料SLA可以制造出具有很好的内表面纹理的详细零件（因为树脂是支撑物，可以清洗掉）。对于稍大的部件，还有粘结剂喷射方法可以选择，这本身就可以是一种高产和廉价的技术。人们还可以考虑失蜡铸造和大桶光聚合。对于微小的零件，人们可能不会考虑材料挤压或粉末床熔融。但是，有一些微型加工和打印技术在这里可能具有竞争力。

所有这些技术都在争夺一个潜在的非常有竞争力的空间，其中数十亿优化的亚厘米到亚微米的元件可以在制造、电子、医药和工业用途中发挥作用。攻克这一难题的公司所能达到的产量可能是惊人的。类似MOSFET的设备、散热器、电子元件、天线、电池、传感器和更多，都可能产生数百万甚至数十亿的零件需求。

要做到这一点，就必须有人能够以合适的价格，以合适的规格制造合适的几何形状。与其他技术相比，矩阵式结构、过滤器、TPMS场、网状物和柔性电池等应用可能最好用这种技术3D打印。一个小而强的晶格将是这项技术的一个很好的应用。当然，现在，它需要首先进行工业化，并需要新的设备。这仍然是非常早期的事情，但可能是一个非常富有成效的方法。