Ny metod för extremt små 3D-utskrivna metalldelar
Av Den nya processen kan användas för en mängd olika metaller och även flera typer i samma tillverkade del. Metoden har nu potential att bana väg för tillverkning av små komponenter för mikroelektroniska mekaniska system (MEMS), helt enkelt exakta komponenter för fordon och rymdapplikationer, värmeväxlare eller biomedicinska apparater.
I 3D-utskrift byggs ett objekt upp lager för lager, vilket möjliggör skapandet av strukturer som skulle vara omöjliga att tillverka med konventionella metallformningsmetoder som smide och bläckstråleformning, eller via subtraktiva metoder som exempelvis etsning eller fräsning.
Nuvarande 3D-metallutskriftsprocesser använder en laser för att zappa metallpulver, som smälter metallen så att den sedan stelnar till specifika former. På så sätt kan tillverkare skapa strukturer med en upplösning på runt 100 mikron, vilket ungefär motsvarar tjockleken på två pappersark.
Den fungerar med en mängd olika metaller Rebecca Gallivan, postdoktor vid ETH Zürich.
Problemet är att metaller, särskilt de med hög värmeledningsförmåga som koppar, överför värme så bra att även med en finfokuserad laser sprider sig värme och smälter pulver utanför det önskade området, vilket sänker utskriftens möjliga upplösning.
Ett team av professorer och forskare har nu tänkt i nya banor kring problemet. I stället för att skriva ut metaller direkt, 3D-printar de en hydrogel och använder den som en ställning för metallinnehållande flytande prekursorer.
— Vi var tvungna att utveckla ett nytt sätt där vi kunde kontrollera värmen för att bygga våra strukturer, säger Max Saccone, postdoktor vid Stanford University i rapporten.
Hydrogeler är material gjorda av flexibla polymerkedjor som inte löser sig i vatten och används för produkter som mjuka kontaktlinser. Ljus från en ultraviolett lampa med låg effekt kan utlösa en kemisk reaktion i flytande polymerer, vilket får dem att härda genom att inducera tvärbindning av polymerkedjorna. Om du upprepar processen om och om igen i ett specifikt mönster, kan du bilda önskade mikroskopiska former.
Caltech-forskarna integrerar de 3D-tryckta hydrogelställningarna med metallsalter lösta i vatten, vilket får metalljonerna att infiltrera hydrogelen och inte bara belägga dess yta. Sedan, i reaktionsdelen av processen, bränner forskarna bort hydrogeldelen av strukturen i en ugn som når 700 till 1100 grader Celsius, beroende på materialet. Eftersom smältpunkten för alla metaller är högre än förbränningstemperaturen för hydrogelen förblir metallen intakt.
Värmen tar inte bara bort hydrogelen, den får också den övergripande strukturen att krympa när hydrogelen bränns upp, vilket resulterar i en ännu mindre metallstruktur. Med denna process, förutom rena metaller, kan teamet 3D-printa metallegeringar och flerkomponentsmetallsystem, med funktionsstorlekar runt 40 mikron, eller mindre än halva bredden av ett människohår.
— En av de spännande sakerna är att den fungerar med en mängd olika metaller med bara en liten justering av "reaktionsfasen" i processen och skapar nya möjligheter för materialteknik i mikroskala, säger Rebecca Gallivan, postdoktor vid ETH Zürich. Under utvecklingen av processen producerade teamet 3D-tryckta strukturer gjorda av koppar, nickel, silver och olika metallegeringar.
— Tillverkningsprocessen etablerar en väg för att skapa metalliska material på ett helt nytt och mer miljövänligt sätt med oöverträffade precisionsnivåer, säger professor Kai Narita.
Ett nystartat företag vid namn 3D Architech har nu licensierar den nya tekniken från Caltech.