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利用電化學工藝的多金屬4D打印

電化學增材制造(Electrochemical Additive Manufacturing,ECAM)是倫敦帝國理工學院(ICL)開發(fā)的低成本金屬制造新方法。ICL團隊最近發(fā)表了一篇關于ECAM 4D打印潛力的論文。
      ECAM是一種基于電鍍原理的制造方法,通常用于為珠寶首飾增加貴金屬層。它使用帶電金屬離子的液體溶液作為原料,在與帶負電的銅床接觸時產生固體金屬層。用于該過程的常用材料包括銅、鋅、鎳和錫,也可以使用合金?;旧?,任何可以電鍍的金屬都可以用于ECAM工藝。

圖1 多金屬3D打印過程的示意圖. (a) 銅金屬電沉積過程. (b) 鎳金屬電沉積過程。

      對比于其他金屬制造技術,如選擇性激光熔化SLM,電化學工藝的優(yōu)勢之一是將多種金屬熔合在一起變得更容易。這使科學家們可以嘗試不同的材料組合,并探索單一金屬結構中不可能實現(xiàn)的技術。一種技術就是制造4D打印金屬零件,即在制造之后能夠變形的物體。這是該論文中所述的關鍵發(fā)展之一,展示了使用多種金屬進行3D打印的能力。利用兩種不同金屬的熱膨脹系數(shù)存在的差異,能夠設計出能夠隨溫度變化的4D結構。
     而通常,4D打印使用的材料僅限于高分子,例如蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH Zurich)可展開的桁架結構和代爾夫特理工大學(TU Delft)的自動折疊郁金香。然而,這些高分子材料會受其工作溫度的限制。而采用多金屬4D打印方法,就允許制造的零件在更高的溫度下工作。
     ICL團隊通過兩個打印頭,使用不同的電解質銅/硫酸銅和鎳/硫酸鎳,能夠選擇性地在不同位置放置不同金屬,實現(xiàn)多金屬4D打印,如圖1所示。為了展示ECAM的新功能,ICL團隊3D打印了一系列自組裝結構,包括雙金屬條控制電路打開燈,如圖2所示。利用該技術,我們可以在一個結構中編程,無需外部控制即可開啟和關閉物體。例如,如果溫度過高,我們可能會制造一個可以收縮流量的閥門,或者制作加熱時自組裝的結構。

圖2 由3D打印雙金屬條驅動的簡單電路原理圖和照片

參考文獻:
Chen X, Liu X, Ouyang M, et al. Multi-metal 4D printing with a desktop electrochemical 3D printer[J]. Scientific reports, 2019, 9(1): 3973.


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