兩全其美：金屬、塑料混合3D列印的新突破

2020-10-14 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：

據悉，日本早稻田大學的科學家2020年8月24日發表在《Additive Manufacturing》上的一項研究中，開發了一種新的混合技術，該技術可以生產由金屬和塑料製成的3D物體。這項研究的負責人Shinjiro Umezu教授解釋了他們的動機：「儘管3D印表機讓我們用金屬和塑料創建3D結構，但我們周圍看到的大多數物體都是包括電子設備在內的兩者的組合。因此，他們認為，如果設法使用傳統的D印表機創建由金屬和塑料製成的3D對象，將能夠擴展它們的應用。」

先進的增材製造技術，也稱為3D列印和快速原型製作，已經使3D結構的製造具有幾何和材料複雜性。增材製造技術的基本原理是在計算機控制下結合原材料以構建3D對象。用於增材製造的常規方法涉及熔化原材料並將它們局部逐層粘貼在定義的位置，以使液體層融合在一起，在固化後形成3D對象。

增材製造的原材料主要是塑料和金屬。但是，這些材料不能組合使用。通常，由於金屬3D印表機需要高溫，因此無法將塑料3D印表機與金屬3D印表機結合使用，例如在3D列印的塑料結構上列印金屬。但是，在特定區域或整個3D列印塑料零件上，目前市場對有光澤的外觀或導電層有強烈的需求。因此，應研究將3D列印塑料的選定區域金屬化的可行性。

塑料常規金屬化方法，一般分為幹法和溼法兩大類。幹法和真空金屬化工藝（例如濺射和蒸發）不適合此任務。複雜的3D列印結構由於階梯覆蓋差而無法使用這些技術完全金屬化。涉及將工件浸入金屬溶液中的溼法和固溶工藝對於塗覆複雜的3D工件是優選的。在電鍍(一種常用的常規溼法工藝)中，將工件浸入金屬離子溶液中，並施加電流以將金屬離子還原為母體金屬，從而導致金屬沉積在工件表面上。但是，對於電鍍，要在其上沉積金屬的表面必須具有導電性，電流才能流動。因此，電鍍不適用於3D列印的塑料工件的金屬化。化學鍍是一種不需要電流的溼法金屬化技術。因此，這是在3D列印的塑料表面上塗覆金屬的最合適方法。本文提出了一種實現區域選擇性金屬鍍層的化學鍍方法。

下圖描述的是用於3D列印的塑料結構金屬化的常規方法和本文創新方法的概述。常規技術化學鍍的溶液包含金屬離子以及還原劑，還原劑是用於將金屬離子還原成母體金屬的電子源。在化學鍍期間，由還原劑的氧化釋放的電子被轉移到金屬離子，從而將它們還原為金屬。為了觸發還原劑的氧化，將Pd用作化學鍍催化劑。因此，在化學鍍之前，將工件浸入催化劑溶液中（圖1A）。通常，使用鈀離子溶液（通常使用氯化鈀, PdCl2）和還原劑溶液（通常使用氯化錫, SnCl2）將Pd納米顆粒或膠體沉積在浸沒的工件上。與常規技術不同，本研究的雙噴嘴方法僅在所需區域中生成具有均勻且牢固粘附的金屬塗層的3D對象。

△圖1. A: 3D列印塑料結構的常規金屬化方法。需要溼法預處理以催化工件的表面。Pd膠體沉積在表面上。然後，將Pd催化的工件浸入無電沉積浴中，以在表面覆蓋目標金屬（本研究中為Ni）。Pd催化劑引起化學沉積。但是，由於3D印表機中使用的塑料（本研究中的ABS）主要是疏水性的，因此沉積的金屬與表面之間沒有很強的粘附力，因此塗層不均勻。B: 提議的在3D列印的塑料結構的選定區域上沉積金屬的方法。除了純塑料ABS燈絲外，還製備了有PdCl2的ABS燈絲。在3D列印中，使用純ABS燈絲製造工件的基本結構，並使用有PdCl2的ABS燈絲塗覆選定的目標區域（圖中的黃色部分）。由於工件在選定區域中被Pd催化，因此可以將其直接浸入化學鍍浴中（即跳過A中的催化步驟）

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)3D列印最常用的塑料之一。在新的混合方法中，使用了具有雙噴嘴的印表機。一個噴嘴擠出標準熔融塑料(ABS)，而另一個噴嘴擠出裝有PdCl2的ABS。通過使用一個噴嘴或另一個噴嘴選擇性地列印圖層，可以在3D對象的特定區域中加載Pd。然後，通過化學鍍，最終獲得一種僅在選定區域上具有金屬塗層的塑料結構。

△圖2. 使用不同的催化方法獲得的3D列印的ABS結構。(A)圖1A中所示的常規方法：浸入Pd離子溶液中（兩步PdCl2/SnCl2催化）。雙向箭頭指示浸入深度。(B)區域選擇性催化：將ABS和PdCl2混合丙酮溶液通過噴嘴在空氣壓力下粘貼。(C)區域選擇性催化：使用載有PdCl2的ABS燈絲通過FFF 3D印表機粘貼載有PdCl2的ABS。左邊的圖像是3D列印後進行催化處理的圖像，右邊的圖像是無電沉積之後的圖像。

科學家發現，使用他們的方法時，金屬塗層的附著力更高。此外，由於Pd負載在原料中，因此與常規方法不同，其技術不需要對ABS結構進行任何類型的粗糙化或蝕刻以促進催化劑的沉積。當考慮到這些額外的步驟不僅會由於使用諸如鉻酸之類的有毒化學物質而對3D對象本身造成損害，還會對環境造成損害時，這一點尤其重要。最後，他們的方法與現有的熔絲製造3D印表機完全兼容。

Umezu認為，考慮到其在3D電子產品中的潛在用途，金屬塑料混合3D列印在不久的將來可能會變得非常重要，這是即將到來的物聯網和人工智慧應用程式的重點。在這方面，他補充說：「我們的混合3D列印方法開闢了製造3D電子產品的可能性，從而使醫療保健和護理中使用的設備和機器人變得比我們今天擁有的設備和機器人更好。」

這項研究有望為混合3D列印技術鋪平道路，這將使我們能夠充分利用金屬和塑料的雙重優勢。

一種方法，將3D印表機的使用範圍擴展到3D電子設備，以用於將來的機器人技術和物聯網應用。圖片來源：早稻田大學

本文來源：DOI: 10.1016/j.addma.2020.101556

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