水凝胶灌注金属盐3D打印微米级金属部件

2022年12月1日，南极熊获悉，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新方法，该技术可以实现比现有分辨率的基础上再小一个数量级。该团队表示，通过这种水凝胶衍生的金属具有高度孪晶的微观结构和异常高的硬度，为制造先进的金属微材料提供了途径。该文发表在Nature杂志上。

△该团队的研究已发表在《自然》杂志上，描述了这一使用水基化学和3D打印的新工艺方法，题目为“通过水凝胶灌注增材制造微结构金属”（传送门）

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。未来可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。

△瑞士精密3D打印公司Cytosurge的纳米级3D打印物

技术背景
在3D打印中，由于构建对象是逐层创建的，因此允许创建传统金属成型方法（如锻造和喷墨成型）或减法工艺无法制造的结构，例如蚀刻或铣削。目前金属3D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，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。

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，以至于即使采用精细聚焦的激光，热量也会扩散并熔化所需区域之外的粉末，从而降低了可打印的分辨率。

该研究主要由斯坦福大学的博士后研究员Max Saccone领导，由多个研究员组成的团队在加州理工学院的Julia R. Greer实验室中开发了这种新技术：他们不是直接书写金属，而是3D打印水凝胶，作为含金属液体前体的支架。目前，瑞士洛桑联邦理工学院Kai Narita博士已从加州理工学院的手中获得了这项新技术的授权，并且成立了一家名为3D Architech的公司打算将该技术商业化。

Saccone解释道：“我们必须开发一种新的方法，在不依靠传统的热传递工艺基础上来打印我们的构建物”

他说：“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。”

△以微观分辨率3D打印的铜结构

水凝胶灌注工艺和它的可控“反应”
然后，加州理工学院的研究人员向3D打印的水凝胶支架注入溶于水的金属盐，使金属离子渗透到水凝胶中，而不仅仅是涂在表面。然后，研究人员在一个达到700至1100摄氏度的熔炉中通过高温的形式蒸发掉水凝胶，这取决于材料的具体情况。例如，在金属的熔点高于水凝胶的情况下，金属可以保持完整并完成去除工作。

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结构，特征尺寸约为40微米，或不到人类头发丝宽度的一半。

苏黎世联邦理工学院的博士后研究员Rebecca Gallivan说：“该研究令人兴奋的地方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。”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。

这项研究获得了美国能源部、雷斯尼克可持续发展研究所、Masason基金会和加州理工学院的AI4Science计划资助。