新型3D打印技術可制造超強材料，承壓能力是普通材料的20倍

3D打印技術參考注意到，多所高校正在研究一種突破性的3D打印新方法，它使用水凝膠作為模板，能夠生產超高密度、耐用的金屬和陶瓷，能夠制造同時具備強度高、重量輕和結構復雜的高級三維結構。

洛桑聯邦理工學院基于該技術制造的鐵質螺旋體（1.3x 1.0厘米）

基本的原理和步驟是，首先使用光固化3D打印出水凝膠支架；經處理后浸泡在金屬鹽溶液中，這個過程中金屬鹽離子會因濃度差或者是靜電作用而擴散到水凝膠內部；最后飽含金屬離子的支架會經冷凍干燥、煅燒、還原之后，制備出最終的金屬。

洛桑聯邦理工學院基于該技術制造的銀、鐵及銅

與激光3D打印的差異

這個過程看著比激光粉末床3D打印復雜多了，但為什么科研界還這么感興趣？因為它能夠制造成熟的LPBF工藝打印不出來的結構，特別是具有微米級結構特征的復雜三維晶格或微架構材料，這些結構在傳感器、醫學設備或能量轉換和存儲設備等領域有特殊應用需求。

此外，它還避免了激光3D打印的一些常見缺陷，如熱應力、裂紋和孔隙。水凝膠灌注方法完全避免了高溫熔融過程，從原理上規避了這些問題。

基于激光的粉末床熔融3D打印

與其他間接、基于燒結的

金屬3D打印的差異

這項技術雖然是間接的基于燒結的金屬3D打印，但相比HP的粘結劑噴射和最近比較受到關注的冷金屬融合還不一樣，它的過程要復雜的多。HP等的技術還是來制造宏觀尺度的金屬零件，而水凝膠灌注更關注極高精度、復雜結構和微尺度制造。

另外還有一種是采用光固化打印混合了金屬粉末的光敏樹脂，這一類型被認為是樹脂的粘度會很高，而且金屬顆粒會導致光散射。

基于光固化的金屬3D打印

存在的問題與解決辦法

但這項技術本身也并非成熟，收縮率高、易變形、多孔，就是不得不面對的問題。針對這些，3D打印技術參考注意到，洛桑聯邦理工學院的研究人員給出了解決方案。

他們將浸泡過金屬鹽離子溶液3D打印的水凝膠支架轉移到第二溶液中進行化學反應，使上一步的鹽離子轉化為不溶性的金屬納米顆粒，并被錨定在網絡骨架上；然后反復進行上兩步的溶液浸泡和化學反應，來不斷提高金屬的含量。

a.陶瓷與金屬的水凝膠灌注與沉淀工藝示意圖

b.基于該工藝制造的金屬氧化物和金屬

在經過5-10個這樣的“生長循環”后，通過加熱去除剩余的水凝膠，留下一個完美復制原始凝膠形狀的金屬或陶瓷結構。最終得到的物體異常致密而且耐用。由于金屬鹽是在打印步驟之后才添加的，因此一個水凝膠模型可以轉化為多種金屬、陶瓷或復合材料。

多次灌注之后，鹽離子含量不斷提升

研究人員表示，這個過程其實非常容易操作，而且成本很低就可以制造出高質量的金屬和陶瓷。而且它也是一種新的制造形式，因為，材料的選擇是在3D打印之后進行的。

研究團隊利用鐵、銀和銅制造了名為螺旋體晶格結構，強度測試發現，與以前方法制造的材料相比，他們的材料能夠承受高出20倍的壓力，而收縮率僅為20%，而以前方法生產的材料的收縮率則高達60-90%。

銅灌注水凝膠后的橫截面圖

3D打印技術參考還留意到，相比于傳統激光粉末床3D打印，水凝膠灌注制造金屬材料，不需要支撐就可以制造出高復雜度的懸空結構或微流道，甚至可以隨意調整材料成分和微觀結構。

總的來說，水凝膠灌注金屬3D打印技術可以實現“先打印、后選材”，并能實現高精度制造；能夠實現傳統方法難以實現的微結構制造；能夠避免激光激光打印中的一些固有缺陷；同時，它也為開發特定性能的材料開辟了新的方案。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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