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我們已經(jīng)知道，金屬3D打印市場是整個3D打印領(lǐng)域中增長最快的部分。然而當(dāng)前的金屬3D打印工藝并不是非常理想的。眾所周知，我們常見的金屬3D打印技術(shù)需要使用高密度能量，比如激光或者電子束，來根據(jù)預(yù)先確定的形狀熔融打印床上的金屬粉體，并創(chuàng)建出3D結(jié)構(gòu)。盡管這種方法能夠生成極強的金屬3D結(jié)構(gòu)，但是它也有缺點。比如：它的成本非常昂貴而且耗時；尚不能生成某種類型的結(jié)構(gòu)，比如空心或者封閉的對象；它還受到可使用的金屬或者合金類型的限制。

當(dāng)前的金屬3D 打印工藝

為此，美國西北大學(xué)的研究團隊近日開發(fā)出了一種全新的方法來實現(xiàn)金屬3D打印。據(jù)稱這種方法更便宜、更快，而且為全新的金屬材料和結(jié)構(gòu)可能性敞開了大門。據(jù)了解，這種方法不使用粉末床和能量束。而是使用研究團隊發(fā)明一種由金屬或混合金屬粉末、溶劑和彈性體粘結(jié)劑制成的液體油墨。這種油墨可以在室溫下通過一個噴嘴迅速擠出，就像普通的FDM 3D打印機那樣。而一旦擠出，這種液體油墨會瞬間凝固，就可以迅速創(chuàng)建出比較大的對象，而且由于它們還沒有被加熱，可以立即進行處理。

第二步是將其放到一個簡單的窯爐里對已經(jīng)形成的3D結(jié)構(gòu)進行加熱，并融化這些粉末。這一過程被稱為燒結(jié)，因為粉末并沒有真正融化就已經(jīng)永久結(jié)合在了一起。“我們的方法將整個過程拆解為打印和燒結(jié)兩個部分，看來似乎更加復(fù)雜了。”該校材料科學(xué)與工程教授David Dunand說：“但是，事實上，它解放了我們，因為與相結(jié)合的方法相比，每一步都是變得容易得多。”

而且，作為一種更快、更具成本效益的解決方案，這種新型的金屬3D打印工藝可以創(chuàng)建出比之前的金屬3D打印技術(shù)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

而且這種更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建得益于醫(yī)用高分子材料的使用，這種材料使得3D對象在其實際被加熱之前可以高度折疊和彎曲——在這一階段，該3D對象被稱為綠體（green body）。它們可以達(dá)到數(shù)百層厚而不會坍塌。“其他的粘合劑不會使3D打印對象具有這樣的屬性。我們的3D打印對象可以在過火前被操縱，這樣就使我們能夠創(chuàng)建出在很多金屬3D打印技術(shù)中無法實現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)。”該項研究的領(lǐng)導(dǎo)者，該校材料與科學(xué)工程助理教授Ramille Shah解釋說。

Ramille Shah教授和David Dunand教授

其次，在傳統(tǒng)的金屬3D打印過程中，逐層進行激光加熱的方法會在不同的區(qū)域產(chǎn)生加熱和冷卻的應(yīng)力，從而導(dǎo)致不良的微觀結(jié)構(gòu)和完成對象中的缺陷。而研究團隊的新方法則是在窯爐內(nèi)一次加熱整個“綠體”，確保了均勻溫度和致密結(jié)構(gòu)的燒結(jié)，不會產(chǎn)生翹曲和開裂。

“對我來說，作為一位冶金學(xué)家，我很驚訝這個結(jié)構(gòu)沒有變形或裂開，盡管在致密化的過程中導(dǎo)致了廣泛的收縮。”Dunand說：“這可不是我經(jīng)常會看到的東西。”

而且，在這種新工藝中，可以一次使用許多擠出噴嘴，高達(dá)數(shù)米寬的板材可以快速3D打印出來并折成3D結(jié)構(gòu)——唯一的限制是窯爐的尺寸。

到此為止，您是不是已經(jīng)對這種全新的金屬3D打印工藝很滿意了？但是還不止于此，西北大學(xué)的科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了這種工藝的另一新用途：它還可以3D打印與金屬氧化物，比如鐵銹等。盡管在普通人看來，鐵銹似乎不那么討人喜歡。但是實際上與純鐵粉相比，鐵銹粉更輕、更穩(wěn)定、更便宜和處理起來更安全。

使用這種新的工藝，研究人員可以使用鐵銹或者其他金屬氧化物進行3D打印，然后用氫將這些金屬氧化物還原成純的金屬，最后再放到窯爐里進行加熱燒結(jié)。看起來使用鐵銹或者其他金屬氧化物進行3D打印的過程似乎復(fù)雜了一些，但是要知道，鐵銹與純鐵粉的價格可是天差地別的。

科學(xué)家們稱，這種新型的金屬3D打印工藝可以用于3D打印電池、固體氧化物燃料電池、醫(yī)療植入物、航空航天和飛機零部件等等。他們認(rèn)為這代表著金屬3D打印技術(shù)朝著主流應(yīng)用邁出的重要一步。

這項研究發(fā)表在了《Advanced Functional Materials》雜志上，博士后研究員Adam Jakus、研究生Shannon L. Taylor和本科生Nicholas R. Geisendorfer共同撰寫了該論文。