Аддитивное производство микро

Nature, том 612, страницы 685–690 (2022 г.) Процитировать эту статью

29 тысяч доступов

9 цитат

314 Альтметрика

Подробности о метриках

Аддитивное производство металлов (АП) позволяет производить дорогостоящие и высокопроизводительные компоненты1 для применения в аэрокосмической2 и биомедицинской3 областях. Послойное изготовление обходит геометрические ограничения традиционных методов металлообработки, позволяя быстро и эффективно изготавливать топологически оптимизированные детали4,5. Существующие методы АП основаны на термически инициируемом плавлении или спекании для придания формы деталям — дорогостоящем и ограниченном по материалу процессе6,7,8. Мы сообщаем о методе AM, который производит металлы и сплавы с микромасштабным разрешением посредством фотополимеризации в ванне (VP). Гидрогели с трехмерной архитектурой пропитываются предшественниками металлов, затем прокаливаются и восстанавливаются, чтобы превратить гидрогелевые каркасы в миниатюрные металлические копии. Этот подход представляет собой смену парадигмы VP; материал подбирается только после изготовления конструкции. В отличие от существующих стратегий VP, которые включают целевые материалы или прекурсоры в фотосмолу во время печати9,10,11, наш метод не требует повторной оптимизации смол и параметров отверждения для различных материалов, что обеспечивает быструю итерацию, настройку состава и возможность изготовления нескольких материалов. Мы демонстрируем АМ металлов с критическими размерами около 40 мкм, которые сложно изготовить с использованием традиционных процессов. Такие металлы, полученные из гидрогелей, имеют микроструктуру с высокой степенью двойников и необычайно высокую твердость, что открывает путь для создания современных металлических микроматериалов.

Металлический АМ в основном достигается с помощью процессов плавления в порошковом слое12 и направленного энерговыделения13. Послойные процессы позволяют изготавливать металлические мультиматериалы14 и композиты с функциональной классификацией15, но такие лазерные процессы с трудом могут производить такие материалы, как медь; высокая теплопроводность и низкая поглощающая способность лазерного излучения затрудняют термическое инициирование и локализацию плавления или спекания16. Фотополимеризация в чане (VP) является многообещающей альтернативой, которая использует инициируемую светом свободнорадикальную полимеризацию для формирования деталей. Печать с цифровой обработкой света (DLP) достигает этого путем проецирования двумерных изображений ультрафиолетового света в ванну с фотосмолой для одновременного отверждения всего слоя трехмерной (3D) структуры. DLP способна обеспечить высокую скорость печати17, была продемонстрирована с субмикрометровым разрешением18 и имеет разнообразные коммерческие применения — от непосредственного производства обувных подошв19 до тестовых мазков на COVID-1920. VP был разработан преимущественно для использования с полимерами21,22,23, а также был продемонстрирован для стекла9 и керамики10. Однако выбор неорганических материалов остается ограниченным из-за проблем с включением соответствующих прекурсоров в фотосмолы в виде растворов24, суспензий25 или неорганически-органических смесей26. Следовательно, производство металлов с помощью ВП остается проблемой. Оран и др. продемонстрировали АМ наноразмерного серебра, используя гидрогели в качестве «нанопроизводственных реакторов»27,28, в которых двухфотонная активация направляет проникновение прекурсоров для объемного осаждения трехмерных материалов. Вятских и др. продемонстрировали АМ наноразмерного никеля с помощью двухфотонной литографии для создания рисунка на неорганических-органических смолах, содержащих акрилаты никеля, с последующим пиролизом и восстановлением H226. Однако эти новаторские работы ограничены по объему материалов и требуют сложной разработки смол и оптимизации для каждого нового материала. Другие, менее распространенные методы АП по металлу, такие как прямое письмо чернилами и струйная обработка материала, используют экструзию из сопла и контролируемое осаждение связующего, соответственно, для определения формы детали. Эти методы позволяют избежать проблем, связанных с использованием тепла для определения формы детали; медные материалы были изготовлены с помощью прямого письма чернилами29 и струйной печати30, но ни одна из этих технологий не позволила получить медные детали с размерами элементов менее 100 мкм.