用于原位微結(jié)構(gòu)控制的微金屬3D打印工藝面世

來源:3D打印商情

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校機(jī)械工程系的一組研究人員發(fā)明了一種基于電化學(xué)的金屬3D打印方法，命名為局部脈沖電沉積（L-PED）。采用該方法，該團(tuán)隊(duì)在打印過程中獲得了金屬微結(jié)構(gòu)的原位控制。L-PED不受后處理的影響，通過調(diào)整工藝參數(shù)，增強(qiáng)了3D打印純晶體金屬的機(jī)械和電氣性能。

采用L-PED的微型金屬3D打印
在L-PED中，電沉積用所選金屬的電解質(zhì)限制在噴嘴尖端。當(dāng)噴嘴接近基板時(shí)，金屬離子沉積在導(dǎo)電基板和噴嘴之間形成的彎月面上。以毫秒為間隔在噴嘴和基板之間重復(fù)施加非常高的電流。

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，該團(tuán)隊(duì)設(shè)法獲得90±5％的電流效率，這意味著雜質(zhì)或氧氣的存在最少。噴嘴和基板的相對位置的精確和受控的運(yùn)動使得結(jié)構(gòu)能夠以期望的3D幾何形狀打印。通過該方法可以打印不同的幾何形狀，例如獨(dú)立式線，微柱（μ柱）和逐層結(jié)構(gòu)。

L-PED 3D打印過程的原理圖。

增強(qiáng)強(qiáng)度，延展性和導(dǎo)電性
使用L-PED工藝，直接3D打印數(shù)十個銅μ柱。幾十個銅μ-支柱直接進(jìn)行3D打印。聚焦離子束從感興趣材料的薄膜中制備出平均電流密度為2~35 nm s^-1的相似μ柱。。對于此參數(shù)范圍，所有打印的銅μ柱都包含雙邊界。已知存在平行的孿晶邊界陣列以增強(qiáng)機(jī)械和電氣性能。

（E）3D打印的μ柱（F）陣列的SEM圖像，通過逐層L-PED（G）螺旋圖案打印的40層結(jié)構(gòu)和（H）a的特寫視圖μ-支柱。

控制L-PED微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)是平均電流密度。平均電流密度與平均沉積速率成正比。隨著沉積速率增加，孿晶邊界的密度增加。隨機(jī)取向的晶粒變得更加圓柱形并且尺寸更小，晶粒內(nèi)部的孿生晶界變得更加整齊劃一。

為了研究打印銅的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，在原位打描電鏡（SEM）微壓縮實(shí)驗(yàn)中，對打印銅柱進(jìn)行了測試。原位SEM納米化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，平均電流密度增加約1.7倍，導(dǎo)致金屬沉積速率增加約1.4倍，這導(dǎo)致打印金屬的流動應(yīng)力增強(qiáng)約44％。特別是，通過在打印期間改變微結(jié)構(gòu)，可以將3D打印銅的流動應(yīng)力調(diào)整為塊狀銅的3-5倍。

使用三種不同的平均電流密度和壓縮的μ柱對打印的μ柱進(jìn)行原位SEM微壓縮實(shí)驗(yàn)。

研究人員通過控制平均電流密度成功地證明了對孿晶邊界和晶粒尺寸的密度和取向的控制。精細(xì)的銅3D打印具有良好對齊和高密度的雙邊界，顯示出具有高強(qiáng)度、延展性和導(dǎo)電性。

微尺度金屬增材制造

雖然目前微型AM的重點(diǎn)是創(chuàng)造具有復(fù)雜幾何形狀的微小結(jié)構(gòu)，但該行業(yè)面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一是對打印金屬的材料特性的控制。目前可用的物理和化學(xué)金屬μ-AM工藝的實(shí)例是直接油墨打印（DIW）和電流體動力學(xué)打�。‥HD）。DIW和EHD通常需要熱處理以從打印復(fù)合材料中除去有機(jī)基質(zhì)。通常高達(dá)400-500℃，在后處理過程中經(jīng)常發(fā)生明顯的孔隙率，致密化和金屬相的晶粒生長。

實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)的原位控制，L-PED明顯優(yōu)于目前可用的圖案化和3D打印金屬工藝。研究的共同作者之一Soheil Daryadel說：“這一重要的進(jìn)步消除了后處理工程微觀結(jié)構(gòu)的需要，這通常會對材料特性產(chǎn)生不良影響�！�

由于其優(yōu)異的材料特性，L-PED為實(shí)現(xiàn)金屬μ-AM的功能應(yīng)用鋪平了道路，如電子器件、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、光學(xué)器件和傳感器等。但目前，只能沉積有限數(shù)量的金屬，包括銅，鉑，金，未來仍將通過L-PED打印其他金屬和合金。

論文《使用局部電沉積控制微尺度銅增材制造中的微觀結(jié)構(gòu)》發(fā)表在Advanced Engineering Materials雜志上。它由Soheil Daryadel、Ali Behroozfar和Majid Minary-Jolandan共同撰寫。