加州理工學院的工程師開發(fā)了一種3D打印純金屬和多組分金屬的新方法，該技術可以實現(xiàn)比現(xiàn)有分辨率的基礎上再小一個數(shù)量級。該團隊表示，通過這種水凝膠衍生的金屬具有高度孿晶的微觀結構和異常高的硬度，為制造先進的金屬微材料提供了途徑。該文發(fā)表在Nature雜志上。

△該團隊的研究已發(fā)表在《自然》雜志上，描述了這一使用水基化學和3D打印的新工藝方法，題目為“通過水凝膠灌注增材制造微結構金屬”
新工藝可用于多種金屬，甚至是同一制造部件中的多種金屬。只需稍作調整。它有可能為制造微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的微型組件鋪平道路。未來可用于車輛和空間應用、熱交換器或生物醫(yī)學設備的精密組件。

△瑞士精密3D打印公司Cytosurge的納米級3D打印物
技術背景在3D打印中，由于構建對象是逐層創(chuàng)建的，因此允許創(chuàng)建傳統(tǒng)金屬成型方法（如鍛造和噴墨成型）或減法工藝無法制造的結構，例如蝕刻或銑削。目前金屬3D打印工藝使用激光來切割金屬粉末，金屬粉末會瞬間熔化，然后凝固成特定的形狀。通過這種方式，可以創(chuàng)建分辨率約為100微米的結構，這大致相當于兩張紙的厚度。

問題在于，金屬，尤其是那些具有高導熱性的金屬，例如銅，導熱性非常好，以至于即使采用精細聚焦的激光，熱量也會擴散并熔化所需區(qū)域之外的粉末，從而降低了可打印的分辨率。

該研究主要由斯坦福大學的博士后研究員Max Saccone領導，由多個研究員組成的團隊在加州理工學院的Julia R. Greer實驗室中開發(fā)了這種新技術：他們不是直接書寫金屬，而是3D打印水凝膠，作為含金屬液體前體的支架。目前，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Kai Narita博士已從加州理工學院的手中獲得了這項新技術的授權，并且成立了一家名為3D Architech的公司打算將該技術商業(yè)化。

Saccone解釋道：“我們必須開發(fā)一種新的方法，在不依靠傳統(tǒng)的熱傳遞工藝基礎上來打印我們的構建物”

他說：“水凝膠是由不溶于水的柔性聚合物鏈制成的材料，用于軟性隱形眼鏡等產品。來自低功率紫外線燈的光能夠在液態(tài)聚合物中引發(fā)化學反應，通過誘導聚合物鏈的交聯(lián)使它們硬化。如果您以特定模式一遍又一遍地重復該過程，則可以形成所需的微觀形狀?！?/p>

△以微觀分辨率3D打印的銅結構
水凝膠灌注工藝和它的可控“反應”然后，加州理工學院的研究人員向3D打印的水凝膠支架注入溶于水的金屬鹽，使金屬離子滲透到水凝膠中，而不僅僅是涂在表面。然后，研究人員在一個達到700至1100攝氏度的熔爐中通過高溫的形式蒸發(fā)掉水凝膠，這取決于材料的具體情況。例如，在金屬的熔點高于水凝膠的情況下，金屬可以保持完整并完成去除工作。

熱量不僅會去除水凝膠，還會導致整體結構隨著水凝膠的燃燒而收縮，從而形成更細小的金屬結構。通過這個過程，除了純金屬之外，該團隊還可以3D打印金屬合金和多組分金屬結構，特征尺寸約為40微米，或不到人類頭發(fā)絲寬度的一半。

蘇黎世聯(lián)邦理工學院的博士后研究員Rebecca Gallivan說：“該研究令人興奮的地方是它可以與多種金屬一起工作，只需稍微調整過程的‘反應’階段，并為微型材料工程創(chuàng)造新的機會?！痹陂_發(fā)該工藝時，該團隊生產了由銅、鎳、銀和各種金屬合金制成的3D打印結構。

這項研究獲得了美國能源部、雷斯尼克可持續(xù)發(fā)展研究所、Masason基金會和加州理工學院的AI4Science計劃資助。

審核編輯 ：李倩