電化學方法,去除金屬3D列印支撐結構

2021-02-24 南極熊3D列印

南極熊相信，很多金屬3D列印行業人士，都面臨著一個難題：支撐很難去掉，複雜的物件，則難上加難。

距南極熊了解，Owen Hildreth是亞利桑那州立大學（ASU）的一名3D納米製造助理教授。最近，他設計了一種電化學工藝，可用來「吃掉」金屬3D列印件的支撐結構。由於像Stratasys這樣的公司的開創性工作以及特殊的可溶性材料的開發，塑料3D列印件的支撐結構去除變得容易得多。相對應地，金屬列印件的支撐結構去除仍然是一個難題。

為了解決這個難題，Hildreth的最初想法是「如果控制好局部的化學環境，任何金屬都可以溶解」。他想像著將犧牲陽極——用來防止鋼船被腐蝕的那種——用在3D列印中。


Hildreth開始與有興趣為金屬3D列印開發一種新的支撐結構解決方案的賓夕法尼亞州立大學教授Timothy Simpson合作，來開發一種電化學解決方案。他們的目標是開發出一個可以「吃掉」支撐材料、同時讓列印件幾乎完好無損的工藝。

令人驚訝的是，該團隊實際上想出了多種方案來應對不同的金屬3D列印方法。首先，Simpson用一臺多材料Optomec直接金屬沉積3D印表機製造了一個帶有碳鋼支撐結構的1英寸不鏽鋼拱形結構。然後，他用一種硝酸溶液成功地溶解掉了支撐結構，同時零件完好無損。這種支撐結構相對好去除，因為金屬沉積實際上與FDM 3D列印很像。Hildreth開發了一種更為複雜的支撐結構去除工藝，適用於SLM、DMLS等基於粉末床的金屬3D列印工藝。

 

起初，他在熱處理列印件的同時使用亞鐵氰化鈉，但發現這同時也會太多地侵蝕掉列印件本身。為此，Hildreth進行了改進。他在退火階段加入了一種敏化劑——六氰基高鐵酸鈉。在高溫下，這種化學製品會分解並釋放出碳和氮，從而能在退火階段有效地將3D列印部件頂部的100至200微米轉化為碳鋼。相應的，只有125微米厚的支撐結構會變得完全「敏化」，而3D列印件也只用犧牲薄薄的一層。

事實證明，對於用最常見的金屬3D列印工藝製造出的支撐結構，這種方法非常有效。主要的3D列印部件充當陰極，支撐結構則會受到陽極腐蝕。一個在EOS粉末床3D印表機上完成的測試部件證明了該技術的效果，其中支撐結構大約在七個小時內被侵蝕掉，遠低於機械加工處理所需的32至40小時。

 

這項3D列印研究已經發表在《3D列印和增材製造（3D Printing and Additive Manufacturing）》雜誌上。

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