新工艺允许3D打印微型金属部件

加州理工学院的工程师开发了一种3D打印纯金属和多组分金属的方法，其分辨率在某些情况下比以前可能的分辨率低一个数量级。10月20日发表在《自然》杂志上的一篇论文描述了这一使用水基化学和3D打印的工艺。

新工艺可用于多种金属——甚至是同一制造部件中的多种金属——只需稍作调整。它有可能为制造微电子机械系统(MEMS)的微型组件铺平道路——用于车辆和空间应用、热交换器或生物医学设备的精密组件。

在3D打印(也称为增材制造)中，对象是逐层构建的，可以创建通过锻造和喷墨成型等传统金属成型方法或蚀刻等减法方法无法制造的结构或铣削。当前的3D金属打印工艺使用激光来切割金属粉末，金属粉末会瞬间熔化，然后凝固成特定的形状。通过这种方式，制造商可以创建分辨率约为100微米的结构，这大致相当于两张纸的厚度。(分辨率是该过程能够产生的最小细节的比例。)

问题在于，金属，尤其是那些具有高导热性的金属，例如铜，导热性非常好，以至于即使使用精细聚焦的激光，热量也会扩散并熔化所需区域之外的粉末，从而降低打印的可能分辨率。

由当时的研究生MaxSaccone(博士'22)领导的团队，现在是斯坦福大学的博士后研究员;RebeccaGallivan(MS'22)，现在是苏黎世联邦理工学院的博士后研究员;DarylYee(MS'16,Ph.D.'20)，瑞士洛桑联邦理工学院即将上任的助理教授;和KaiNarita(博士'21)在加州理工学院的JuliaR.Greer实验室工作，培养了一种不同的方法来解决这个问题：他们不是直接编写金属，而是3D打印水凝胶并将其用作金属支架含有液体前体。Narita成立了一家名为3DArchitech的初创公司，该公司正在从加州理工学院获得新技术的许可。

“我们必须开发一种新的方法，而且我们不能依靠热量来建造我们的结构，”Saccone说。

水凝胶是由不溶于水的柔性聚合物链制成的材料，用于软性隐形眼镜等产品。来自低功率紫外线灯的光能够在液态聚合物中引发化学反应，通过诱导聚合物链的交联使它们硬化。如果您以特定模式一遍又一遍地重复该过程，则可以形成所需的微观形状。

加州理工学院的研究人员随后将3D打印的水凝胶支架注入溶解在水中的金属盐(想想盐水)，导致金属离子渗入水凝胶——而不仅仅是覆盖其表面。然后，在该过程的“反应”部分，研究人员在达到700至1100摄氏度的炉子中烧掉结构的水凝胶部分，具体取决于材料。因为所有金属的熔点都高于水凝胶的燃烧温度，所以金属完好无损。

热量不仅会去除水凝胶，还会导致整体结构随着水凝胶的燃烧而收缩，从而形成更细小的金属结构。通过这个过程，除了纯金属之外，该团队还可以3D打印金属合金和多组分金属系统，其特征尺寸约为40微米，或不到人类头发宽度的一半。

“令人兴奋的事情之一是它可以与多种金属一起工作，只需稍微调整过程的‘反应’阶段，并为微型材料工程创造新的机会，”Gallivan说。在开发该工艺时，该团队生产了由铜、镍、银和各种金属合金制成的3D打印结构。

“水凝胶灌注增材制造工艺，或我们创造的HIAM，建立了一条以前所未有的精度水平以全新、更加环保的方式制造金属材料的途径，”RubenF.和DonnaMettler教授Greer说。材料科学、力学和医学工程;弗莱彻·琼斯基金会Kavli纳米科学研究所所长;以及纳米级和微米级结构材料领域的先驱。

这篇论文的标题是“通过水凝胶灌注增材制造微结构金属”。