兩全其美：一種新的金屬-塑料混合3D打印技術

來源：江蘇激光聯(lián)盟

同時打印金屬和塑料，由于兩者的熔點差異較大導致打印非常困難。如今，來自日本W(wǎng)aseda University的研究人員發(fā)明了一種新的復合技術，可以實現(xiàn)金屬和塑料的同時打印，這一成果發(fā)表在期刊《Additive Manufacturing》上。

圖1 一種將3D打印機的使用擴展到3D電子產(chǎn)品的方法，用于未來機器人技術和物聯(lián)網(wǎng)應用，可以實現(xiàn)同時打印金屬和塑料

3D打印技術在過去十年中取得了巨大的發(fā)展，現(xiàn)在可以在工業(yè)環(huán)境中進行大規(guī)模生產(chǎn)。3D打印也稱為“增材制造”，它允許人們直接從原材料中制造任意復雜的3D物體。在最流行的3D打印工藝熔絲制造中，塑料或金屬被熔化并由打印機頭通過小噴嘴擠出，然后立即固化并與零件的其余部分熔合。然而，由于塑料和金屬的熔點差異很大，這項技術迄今僅限于制造金屬或塑料物體。

最近發(fā)表在《增材制造—Additive Manufacturing》雜志上的一項研究中，日本早稻田大學的科學家開發(fā)了一種新的混合復合技術，可以生產(chǎn)由金屬和塑料制成的3D 物體。領導這項研究的Shinjiro Umezu教授解釋了他們的動機：“盡管3D打印機可以讓我們用金屬和塑料創(chuàng)建3D結構，但我們身邊的大多數(shù)物體都是由兩者結合而成，包括電子設備。因此，我們認為，如果我們能夠利用傳統(tǒng)的3D打印機來創(chuàng)建由金屬和塑料制成的3D物體，我們將能夠擴大其應用�！�

他們的方法實際上是對用于金屬涂覆3D塑料結構的傳統(tǒng)金屬化工藝的重大改進。在傳統(tǒng)方法中，塑料物體經(jīng)過3D打印，然后浸入含有鈀（Pd）的溶液中，鈀附著在物體表面。然后，將工件浸入化學鍍液中，使用沉積的Pd作為催化劑，使溶解的金屬離子粘附在物體上。這種方法在技術上雖然是合理的，但傳統(tǒng)方法會產(chǎn)生不均勻的金屬涂層，并且與塑料結構的粘附性很差。

圖2：A：3D打印塑料結構金屬化的常規(guī)方法。需要濕式預處理來催化工件表面。Pd膠體沉積在表面上。然后，將Pd催化的工件浸入化學沉積浴中，以在表面上涂覆感興趣的金屬。Pd催化劑誘導無電沉積。但是，由于3D打印機中使用的塑料（本研究中為 ABS）主要是疏水性的，因此沉積的金屬對表面的附著力不強，因此涂層不均勻。B：本文在3D打印塑料結構的選定區(qū)域上沉積金屬提出的方法。除了純塑料ABS燈絲外，還有含有PdCl2的ABS燈絲。在3D打印中，工件的基本結構使用純ABS燈絲制造，并采用含有PdCl2的ABS燈絲涂覆選定的感興趣區(qū)域（圖中黃色部分）。由于工件在選定區(qū)域被Pd催化，因此可以直接浸入化學鍍槽中（即A中的催

圖3  使用不同催化方法獲得的3D打印ABS結構。(A) 圖1A所示的常規(guī)方法：浸入 Pd 離子溶液中。雙面箭頭表示浸入深度。(B) 區(qū)域選擇性催化：通過噴嘴在氣壓下粘附ABS和PdCl2混合物丙酮溶液。(C) 區(qū)域選擇性催化：使用含有PdCl2的ABS燈絲通過FFF 3D打印機粘貼含有PdCl2的ABS。左圖是3D打印和催化過程后的圖像，右圖是化學沉積后的圖像。

3D打印塑料結構金屬化的傳統(tǒng)方法和本文所提出的方法概述。與傳統(tǒng)技術不同，本文所提出的雙噴嘴方法僅在所需區(qū)域產(chǎn)生具有均勻且牢固粘附的金屬涂層的3D物體。

相比之下，在新的混合方法中，使用的是帶有雙噴嘴的打印機；一個噴嘴用于擠出標準熔融塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）），而另一個噴嘴擠出裝有二氯化鈀（PdCl2）的ABS。通過使用一個噴嘴或另一個噴嘴選擇性地打印層厚，3D物體的特定區(qū)域含有Pd。然后，通過化學鍍，最終獲得僅在選定區(qū)域上具有金屬涂層的塑料結構。

科學家們發(fā)現(xiàn)，使用這種方法時，金屬涂層的附著力要高得多。更重要的是，由原材料中含有Pd ，與傳統(tǒng)方法不同，他們的技術不需要對ABS結構進行任何類型的粗糙化或蝕刻來促進催化劑的沉積。這一點尤其重要，考慮到這些額外的步驟不僅會對3D物體本身造成損害，還會因為使用了鉻酸等有毒化學物質而對環(huán)境造成損害。最后，他們的方法與現(xiàn)有的熔絲制造3D打印機完全兼容。

Umezu認為，考慮到金屬塑料混合3D打印在3D電子產(chǎn)品中的潛在應用，它在不久的將來可能會變得非常重要，這是即將到來的物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應用的焦點。在這方面，他補充道：“我們的混合3D打印方法為制造3D電子產(chǎn)品開辟了可能性，這樣用于醫(yī)療保健和護理的設備以及機器人可能比我們今天所擁有的更好�！�

這項研究有望為復合 3D打印技術鋪平道路，使我們能夠充分利用金屬和塑料的優(yōu)點。

文章來源：Waseda University和Jing Zhan et al, Metal-plastic hybrid 3D printing usingcatalyst-loaded filament and electroless plating, AdditiveManufacturing (2020). DOI:10.1016/j.addma.2020.101556以及Shinjiro Umezu