兩全其美：金屬、塑料混合3D打印的新突破

　　據(jù)悉，日本早稻田大學(xué)的科學(xué)家2020年8月24日發(fā)表在《AdditiveManufacturing》上的一項(xiàng)研究中，開發(fā)了一種新的混合技術(shù)，該技術(shù)可以生產(chǎn)由金屬和塑料制成的3D物體。這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人ShinjiroUmezu教授解釋了他們的動(dòng)機(jī)：“盡管3D打印機(jī)讓我們用金屬和塑料創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，但我們周圍看到的大多數(shù)物體都是包括電子設(shè)備在內(nèi)的兩者的組合。因此，他們認(rèn)為，如果設(shè)法使用傳統(tǒng)的D打印機(jī)創(chuàng)建由金屬和塑料制成的3D對(duì)象，將能夠擴(kuò)展它們的應(yīng)用。”

　　先進(jìn)的增材制造技術(shù)，也稱為3D打印和快速原型制作，已經(jīng)使3D結(jié)構(gòu)的制造具有幾何和材料復(fù)雜性。增材制造技術(shù)的基本原理是在計(jì)算機(jī)控制下結(jié)合原材料以構(gòu)建3D對(duì)象。用于增材制造的常規(guī)方法涉及熔化原材料并將它們局部逐層粘貼在定義的位置，以使液體層融合在一起，在固化后形成3D對(duì)象。

　　增材制造的原材料主要是塑料和金屬。但是，這些材料不能組合使用。通常，由于金屬3D打印機(jī)需要高溫，因此無(wú)法將塑料3D打印機(jī)與金屬3D打印機(jī)結(jié)合使用，例如在3D打印的塑料結(jié)構(gòu)上打印金屬。但是，在特定區(qū)域或整個(gè)3D打印塑料零件上，目前市場(chǎng)對(duì)有光澤的外觀或?qū)щ妼佑袕?qiáng)烈的需求。因此，應(yīng)研究將3D打印塑料的選定區(qū)域金屬化的可行性。

　　塑料常規(guī)金屬化方法，一般分為干法和濕法兩大類。干法和真空金屬化工藝(例如濺射和蒸發(fā))不適合此任務(wù)。復(fù)雜的3D打印結(jié)構(gòu)由于階梯覆蓋差而無(wú)法使用這些技術(shù)完全金屬化。涉及將工件浸入金屬溶液中的濕法和固溶工藝對(duì)于涂覆復(fù)雜的3D工件是優(yōu)選的。在電鍍(一種常用的常規(guī)濕法工藝)中，將工件浸入金屬離子溶液中，并施加電流以將金屬離子還原為母體金屬，從而導(dǎo)致金屬沉積在工件表面上。但是，對(duì)于電鍍，要在其上沉積金屬的表面必須具有導(dǎo)電性，電流才能流動(dòng)。因此，電鍍不適用于3D打印的塑料工件的金屬化。化學(xué)鍍是一種不需要電流的濕法金屬化技術(shù)。因此，這是在3D打印的塑料表面上涂覆金屬的最合適方法。本文提出了一種實(shí)現(xiàn)區(qū)域選擇性金屬鍍層的化學(xué)鍍方法。

　　下圖描述的是用于3D打印的塑料結(jié)構(gòu)金屬化的常規(guī)方法和本文創(chuàng)新方法的概述。常規(guī)技術(shù)化學(xué)鍍的溶液包含金屬離子以及還原劑，還原劑是用于將金屬離子還原成母體金屬的電子源。在化學(xué)鍍期間，由還原劑的氧化釋放的電子被轉(zhuǎn)移到金屬離子，從而將它們還原為金屬。為了觸發(fā)還原劑的氧化，將Pd用作化學(xué)鍍催化劑。因此，在化學(xué)鍍之前，將工件浸入催化劑溶液中(圖1A)。通常，使用鈀離子溶液(通常使用氯化鈀,PdCl2)和還原劑溶液(通常使用氯化錫,SnCl2)將Pd納米顆粒或膠體沉積在浸沒(méi)的工件上。與常規(guī)技術(shù)不同，本研究的雙噴嘴方法僅在所需區(qū)域中生成具有均勻且牢固粘附的金屬涂層的3D對(duì)象。

　　需要濕法預(yù)處理以催化工件的表面。Pd膠體沉積在表面上。然后，將Pd催化的工件浸入無(wú)電沉積浴中，以在表面覆蓋目標(biāo)金屬(本研究中為Ni)。Pd催化劑引起化學(xué)沉積。但是，由于3D打印機(jī)中使用的塑料(本研究中的ABS)主要是疏水性的，因此沉積的金屬與表面之間沒(méi)有很強(qiáng)的粘附力，因此涂層不均勻。B:提議的在3D打印的塑料結(jié)構(gòu)的選定區(qū)域上沉積金屬的方法。除了純塑料ABS燈絲外，還制備了有PdCl2的ABS燈絲。在3D打印中，使用純ABS燈絲制造工件的基本結(jié)構(gòu)，并使用有PdCl2的ABS燈絲涂覆選定的目標(biāo)區(qū)域(圖中的黃色部分)。由于工件在選定區(qū)域中被Pd催化，因此可以將其直接浸入化學(xué)鍍?cè)≈?即跳過(guò)A中的催化步驟)

　　丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)3D打印最常用的塑料之一。在新的混合方法中，使用了具有雙噴嘴的打印機(jī)。一個(gè)噴嘴擠出標(biāo)準(zhǔn)熔融塑料(ABS)，而另一個(gè)噴嘴擠出裝有PdCl2的ABS。通過(guò)使用一個(gè)噴嘴或另一個(gè)噴嘴選擇性地打印圖層，可以在3D對(duì)象的特定區(qū)域中加載Pd。然后，通過(guò)化學(xué)鍍，最終獲得一種僅在選定區(qū)域上具有金屬涂層的塑料結(jié)構(gòu)。

　　(A)圖1A中所示的常規(guī)方法：浸入Pd離子溶液中(兩步PdCl2/SnCl2催化)。雙向箭頭指示浸入深度。(B)區(qū)域選擇性催化：將ABS和PdCl2混合丙酮溶液通過(guò)噴嘴在空氣壓力下粘貼。(C)區(qū)域選擇性催化：使用載有PdCl2的ABS燈絲通過(guò)FFF3D打印機(jī)粘貼載有PdCl2的ABS。左邊的圖像是3D打印后進(jìn)行催化處理的圖像，右邊的圖像是無(wú)電沉積之后的圖像。

　　科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，使用他們的方法時(shí)，金屬涂層的附著力更高。此外，由于Pd負(fù)載在原料中，因此與常規(guī)方法不同，其技術(shù)不需要對(duì)ABS結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何類型的粗糙化或蝕刻以促進(jìn)催化劑的沉積。當(dāng)考慮到這些額外的步驟不僅會(huì)由于使用諸如鉻酸之類的有毒化學(xué)物質(zhì)而對(duì)3D對(duì)象本身造成損害，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成損害時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。最后，他們的方法與現(xiàn)有的熔絲制造3D打印機(jī)完全兼容。

　　Umezu認(rèn)為，考慮到其在3D電子產(chǎn)品中的潛在用途，金屬塑料混合3D打印在不久的將來(lái)可能會(huì)變得非常重要，這是即將到來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應(yīng)用程序的重點(diǎn)。在這方面，他補(bǔ)充說(shuō)：“我們的混合3D打印方法開辟了制造3D電子產(chǎn)品的可能性，從而使醫(yī)療保健和護(hù)理中使用的設(shè)備和機(jī)器人變得比我們今天擁有的設(shè)備和機(jī)器人更好。”

　　這項(xiàng)研究有望為混合3D打印技術(shù)鋪平道路，這將使我們能夠充分利用金屬和塑料的雙重優(yōu)勢(shì)。

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