加州理工学院开发新3D打印工艺 可制造微型金属部件

【资料图】

据外媒报道，加州理工学院（Caltech）的工程师开发了一种3D打印纯金属和多组分金属的方法。在某些情况下，其分辨率比以前使用的方法要小一个数量级。

（图片来源：加州理工学院）

这种新工艺只需稍加调整即可用于多种金属，甚至是同一制造部件中的多种金属，有潜力为制造微电子机械系统（MEMS）中的微小部件铺平道路。作为一种精确组件，MEMS可用于车辆和太空应用、热交换器或生物医学设备。

通过3D打印过程逐层构建物体，可以创建以前无法制造的结构。以前主要采用锻造和喷墨成型等传统金属成形方法，或蚀刻及铣削等减成法。值得一提的是，目前的3D金属打印工艺使用激光来喷射金属粉末，然后闪光熔化金属，使其凝固成特定形状。通过这种方式，制造商可以制造分辨率约为100微米（大致两张纸的厚度）的结构。分辨率是指该过程能够产生的最小细节部分的比例。问题在于金属的传热性能非常好，特别是那些具有高导热率的金属。即使采用高度聚焦的激光，所扩散的热量也会融化目标区域以外的粉末，从而降低打印分辨率。

现在，研究人员开发了一种不同的方法，可以解决这一问题。通过3D打印水凝胶，而不是直接打印金属。在加州理工学院Julia R. Greer实验室工作的Kai Narita博士成立了一家名为3D Architech的初创公司，并从加州理工学院获得了这项新技术的授权。研究负责人Max Saccone表示：“研究人员必须开发一种新方法，不能依赖热量来创建结构。”

水凝胶是由不溶于水的柔性聚合物链制成的材料，可用于制作软性隐形眼镜等产品。通过低功率紫外线灯发出的光，在液体聚合物中引发化学反应，可诱导聚合物链交联使其变硬。如果以特定模式反复重复这个过程，就可以形成预期微观形状。

然后，研究人员向3D打印水凝胶支架中注入水溶金属盐（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，在该过程中的“反应”部分，通过熔炉烧掉结构中的水凝胶部分，根据具体材料熔炉温度可达到700-1100°C。因为所有金属的熔点均高于水凝胶的燃烧温度，所以金属可以保持完整。

热量不仅可以去除水凝胶，而且在水凝胶燃烧时会使整个结构收缩，导致金属结构变薄。通过这一过程，再加上使用纯金属，该团队可以3D打印金属合金和多组分金属系统，形体尺寸约为40微米，不到人类头发宽度的一半。

研究人员Rebecca Gallivan表示：“该工艺可以兼容多种金属，只需微调工艺中的反应阶段，即可为微尺度材料工程创造新的机会。”除了开发工艺，该团队还利用铜、镍、银和不同的金属合金打印了3D结构。

研究人员表示，这种水凝胶灌注增材制造工艺（HIAM）创建了一种新途径，可以环保地、以前所未有的精度制造金属材料。