Nature子刊：金屬3D打印環(huán)保粘合劑，有望促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用

來源：材料科學(xué)與工程

增材制造(Additive manufacturing，簡稱AM)，也被稱為三維(3D)打印，是第四次工業(yè)革命中最重要的技術(shù)之一，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個性化和快速原型制作。為了拓展AM的應(yīng)用范圍，許多研究人員致力于開發(fā)3D打印的可打印材料和相應(yīng)的技術(shù)。因此，先進(jìn)和復(fù)雜的打印材料和3D打印技術(shù)的發(fā)展，加速了AM在各個行業(yè)的應(yīng)用，如航空航天、生物醫(yī)學(xué)和食品行業(yè)。金屬AM的研究也在積極進(jìn)行，以促進(jìn)其在各個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，與聚合物AM不同的是，由于打印環(huán)境的苛刻條件，金屬AM仍然只適用于工業(yè)和學(xué)術(shù)規(guī)模，阻礙了消費(fèi)者級桌面應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)。作為突破性技術(shù)，人們相繼提出了選擇性激光熔煉和電子束熔煉，但對大功率能源、惰性氣體環(huán)境和高溫預(yù)熱的打印工藝限制了它們的應(yīng)用范圍。

粘結(jié)劑噴射金屬3D打印(BJM3DP)是一種很有前途的AM技術(shù)，它可以選擇性地將液體粘結(jié)劑噴射到金屬粉末上，使顆粒之間形成粘結(jié)。BJM3DP商業(yè)化改造的技術(shù)挑戰(zhàn)，仍然涉及克服金屬AM工藝的苛刻條件，包括材料處理、后處理和質(zhì)量控制。然而，迄今為止，只有少數(shù)候選金屬BJ3DP已經(jīng)被探索，打印物體的孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度等特征遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述常見的粘結(jié)劑材料。因此，目前迫切需要拓寬技術(shù)視野，深入開發(fā)新型綠色金屬粘結(jié)劑，使其既環(huán)保又無害，并有可能同時實(shí)現(xiàn)打印制品的理想性能。

來自韓國成均館大學(xué)的Sae Byeok Jo延世大學(xué)的Jeong Ho Cho等研究者，演示了一種適用于粘合噴射金屬3D打印的水基固相粘合劑。相關(guān)論文以題為“A general fruit acid chelation route for eco-friendly and ambient 3D printing of metals”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27730-6

在此，研究者介紹了一種BJ3MDP的結(jié)合機(jī)制，該機(jī)制是基于使用由天然水果酸鹽組成的螯合劑作為生態(tài)友好的結(jié)合劑。金屬粒子之間的金屬螯合橋，是通過將水噴墨噴到由均勻的金屬粒子和螯合劑混合而成的粉末上而成功形成的。研究者利用傅里葉紅外光譜(FT-IR)、X射線光電子能譜(XPS)和掃描電鏡(SEM)對金屬-有機(jī)絡(luò)合機(jī)理進(jìn)行了深入分析。然后，對3D打印的金屬物體進(jìn)行壓縮測試，以確定其機(jī)械強(qiáng)度與螯合劑類型的依賴關(guān)系。最后，研究者利用各種金屬打印出各種形狀的物體，這表明所提出的螯合輔助BJM3DP技術(shù)，不僅有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且也適用于廣泛的金屬粉末。因此，研究者在此提出的環(huán)保螯合劑，有望促進(jìn)綠色金屬3D打印機(jī)充分的工業(yè)和消費(fèi)水平規(guī)模的應(yīng)用。

圖1 環(huán)保型BJM3DP。

圖2 金屬粒子之間形成金屬螯合橋。

圖3 各種對象3D打印使用NaCit螯合劑。

圖4 后處理工藝和幾種可3D打印金屬。

研究還表明，在Al中觀察到的檸檬酸螯合化學(xué)反應(yīng)，可以擴(kuò)展到Cu、Fe和Ti - Al6-4V合金中?；谶@些方面，所提出的使用環(huán)保螯合劑的簡便方法，有望成為促進(jìn)高親和力、低成本和安全的消費(fèi)者級桌面金屬3D打印系統(tǒng)發(fā)展的基石。