加州理工學(xué)院開發(fā)新3D打印工藝 可制造微型金屬部件

據(jù)外媒報道，加州理工學(xué)院（Caltech）的工程師開發(fā)了一種3D打印純金屬和多組分金屬的方法。在某些情況下，其分辨率比以前使用的方法要小一個數(shù)量級。

這種新工藝只需稍加調(diào)整即可用于多種金屬，甚至是同一制造部件中的多種金屬，有潛力為制造微電子機械系統(tǒng)（MEMS）中的微小部件鋪平道路。作為一種*組件，MEMS可用于車輛和太空應(yīng)用、熱交換器或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

通過3D打印過程逐層構(gòu)建物體，可以創(chuàng)建以前無法制造的結(jié)構(gòu)。以前主要采用鍛造和噴墨成型等傳統(tǒng)金屬成形方法，或蝕刻及銑削等減成法。值得一提的是，目前的3D金屬打印工藝使用激光來噴射金屬粉末，然后閃光熔化金屬，使其凝固成特定形狀。通過這種方式，制造商可以制造分辨率約為100微米（大致兩張紙的厚度）的結(jié)構(gòu)。分辨率是指該過程能夠產(chǎn)生的*小細節(jié)部分的比例。問題在于金屬的傳熱性能非常好，特別是那些具有高導(dǎo)熱率的金屬。即使采用高度聚焦的激光，所擴散的熱量也會融化目標(biāo)區(qū)域以外的粉末，從而降低打印分辨率。

現(xiàn)在，研究人員開發(fā)了一種不同的方法，可以解決這一問題。通過3D打印水凝膠，而不是直接打印金屬。在加州理工學(xué)院Julia R. Greer實驗室工作的Kai Narita博士成立了一家名為3D Architech的初創(chuàng)公司，并從加州理工學(xué)院獲得了這項新技術(shù)的授權(quán)。研究負(fù)責(zé)人Max Saccone表示：“研究人員必須開發(fā)一種新方法，不能依賴熱量來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)。”

水凝膠是由不溶于水的柔性聚合物鏈制成的材料，可用于制作軟性隱形眼鏡等產(chǎn)品。通過低功率紫外線燈發(fā)出的光，在液體聚合物中引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，可誘導(dǎo)聚合物鏈交聯(lián)使其變硬。如果以特定模式反復(fù)重復(fù)這個過程，就可以形成預(yù)期微觀形狀。

然后，研究人員向3D打印水凝膠支架中注入水溶金屬鹽（想想鹽水），導(dǎo)致金屬離子滲入水凝膠，而不僅僅是覆蓋其表面。然后，在該過程中的“反應(yīng)”部分，通過熔爐燒掉結(jié)構(gòu)中的水凝膠部分，根據(jù)具體材料熔爐溫度可達到700-1100°C。因為所有金屬的熔點均高于水凝膠的燃燒溫度，所以金屬可以保持完整。

熱量不僅可以去除水凝膠，而且在水凝膠燃燒時會使整個結(jié)構(gòu)收縮，導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)變薄。通過這一過程，再加上使用純金屬，該團隊可以3D打印金屬合金和多組分金屬系統(tǒng)，形體尺寸約為40微米，不到人類頭發(fā)寬度的一半。

研究人員Rebecca Gallivan表示：“該工藝可以兼容多種金屬，只需微調(diào)工藝中的反應(yīng)階段，即可為微尺度材料工程創(chuàng)造新的機會。”除了開發(fā)工藝，該團隊還利用銅、鎳、銀和不同的金屬合金打印了3D結(jié)構(gòu)。

研究人員表示，這種水凝膠灌注增材制造工藝（HIAM）創(chuàng)建了一種新途徑，可以環(huán)保地、以*的精度制造金屬材料。

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