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神奇的液体油墨带来金属3D打印新方法
发布:kittyll   时间:2016/3/16 17:25:21   阅读:954 
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近日,一组来自美国西北大学的科研人员发明了一种利用铁锈(铁氧化物)和金属粉末打印出三维金属制件的新型金属3D打印方法。
 
当前使用的金属3D打印方法需要依赖于一个巨大的金属粉末床,以及一个昂贵的激光源或电子束发射源;而现在美国西北大学的研究人员研发的新方法只需要用到液体油墨和常见的熔炉就能够进行打印,且打印成本更低,速度更快。
 

图片来源:网络
 
此外,该研究小组还表示:该新工艺方法能够适用于许多金属粉末,包括普通金属粉、金属混合物、合金、金属氧化物等。
 

利用该新方法打印出的铜件 图片来源:Ramille Shah and David Dunand
 
“这的确是一项令人激动的发现,因为目前人们所用于金属3D打印的最先进的制造方法通常都会受到金属及其合金种类的限制,而且某些结构是难以打印出来的”,来自西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程专业的助理教授,同时身为该项目的负责人Ramille Shah说道:“我们的新工艺方法极大的扩展了能够用于金属3D打印的材料及打印结构,这也为许多不同的应用领域打开了一扇方便之门”。
 
传统的金属3D打印方法不仅耗时持久,且成本昂贵;首先需要用到一个非常强的能量源,例如聚焦激光或者电子束等;然后控制激光束对模型实心部分的粉末进行扫描,使粉末颗粒熔化而互相粘结,逐步得到该层的轮廓。接下来工作平台下降一个截面的高度,再进行下一层的铺粉和烧结,如此反复最终形成三维模型。在打印完成后需要将未熔化的粉末去除掉,这也决定了该方法无法打印出某些复杂结构,例如中空或者封闭的结构等。此外,该方法也极大的受到了可使用的金属及合金材料的种类限制。
 
西北大学的研究人员发明的新方法则完全绕过了传统方法所需要用到的铺粉平台和激光源,该方法将打印结构及加热烧结分为两个步骤,即两步法。
 
首先通过制备一种由金属粉末或金属粉末混合物、溶剂,以及一种弹性体粘结剂组成的液体油墨。在室温下,研究人员只需利用一种简单的注射-挤出工艺(油墨从喷嘴中挤出)就能快速打印出密集的粉末结构。虽然开始挤出的是液体油墨,但是挤出的材料会立即固化,并与之前挤出的材料融合,这使得该方法能够快速的打印出较大体积的三维物体;
 
第二步则是将已经成型的三维结构置于一个普通的熔炉里进行加热烧结,金属粉末经过加热后会很好的粘合在一起。
 
“通过将打印和烧结两个步骤分开,表面上看起来好像使得工艺更加复杂了”, 西北大学材料科学工程专业的Dunand教授说道:“事实上,将两步分开来,每一步都要比两者结合后更加容易、方便”。
 
该研究小组目前已经将其研究成果以论文的形式发表在了《Advanced Functional Materials》杂志上。
 
该研究小组认为许多学科都会受益于这种能够实现定制化、快速化的金属3D打印技术。此外,他们还认为利用这种新方法能够打印出普通电池、固态氧化物燃料电池、医疗植入物,以及大型结构中的机械零件,如火箭和飞机中的零部件等。
 

图片来源:网络
 
该研究小组配制的独特的液体油墨以及新型工艺方法为打印更加复杂的结构提供了可能,且打印速度更快,成本更低,易于扩展。
 
在物体打印完成之后,加热使其致密化之前的结构称之为“生坯”,这种生坯是具有弹性的,因为其中的弹性聚合物粘结剂中含有游离的金属粉末。
 
“我们使用的粘结剂是一种临床医学上常用的生物医用高分子材料,”Shah说道:“当我们将这种高分子材料作为粘结剂时,它能使得生坯具有较高的强度,甚至可折叠,可弯曲,可以达到几百层厚而不坍塌;其它一些类型的粘结剂则无法做到这些。这也使得我们能够制备出许多不同的,利用传统金属3D打印方法难以完成的复杂三维结构”。
 
在生坯结构打印完成后,将其置于普通熔炉内进行加热烧结,生坯结构上的所有部位同时变得致密化,使得最终的成型结构更加均匀,统一。利用传统的打印方法,激光源对金属粉末扫描,产生的热量都是局部的,最终可能会导致一些意想不到的、不受欢迎的微观结构,使得打印产品的性质也发生了改变。采用一个普通的熔炉能够保证受热均匀,最终成型结构均一,不会产生局部变形或开裂等现象。
 
“在我看来,作为一个冶金学者,在加热烧结生坯时竟然没有发生变形或者开裂现象,这真的很令人惊讶”,Dunand说道:“要知道,这并不是很常见的”。
 
和传统方法利用激光扫描金属粉末不同,Shah和Dunand发明的这种新方法能够同时使用多个挤出喷嘴,理论上而言,该方法能够快速的打印出数米长的薄片,并且能够折叠成大型的三维结构,也许唯一的限制就在于熔炉的大小。
 
该方法的另一创新点在于利用这种方法可以打印金属氧化物,例如铁氧化物(铁锈);铁锈粉末一般更轻,更加稳定,成本也更低,相比纯铁粉而言,处理起来也更安全。该研究小组表示在利用铁锈打印成生坯后,在加热烧结前,可以利用氢气将氧化物还原成金属铁;由于金属氧化物一般较金属粉末成本更低,因此,通过使用便宜的金属氧化物代替较为昂贵的金属粉末进行打印,随后进行还原处理,为降低金属3D打印成本也提供了一种新的思路。


译自:nanowerk
来源:材料与测试
译者:vince

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