重磅《Nature》子刊：新型金屬3D打印粘合劑，大幅提高合金強(qiáng)度

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：為適應(yīng)第四次工業(yè)革命的快速原型設(shè)計(jì)和方便的個(gè)性化產(chǎn)品，金屬增材制造(AM)提供了新的方向。本文演示了一種適用于粘合噴射金屬3D打印的水基固相粘合劑。普通果酸螯合劑的鈉鹽在金屬粒子之間形成穩(wěn)定的金屬螯合橋，使精細(xì)的3D打印金屬具有更高的強(qiáng)度，甚至可以通過后處理進(jìn)一步降低金屬顆粒之間的孔隙度，而且這種螯合化學(xué)與各種金屬的相容性也被證明。本文提出的金屬3D打印機(jī)制將為消費(fèi)者層次的個(gè)性化金屬3D打印開辟了新的途徑。

增材制造(Additive manufacturing，簡(jiǎn)稱AM)，因?yàn)樗�可以�?shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化和快速原型制作，也被稱為三維(3D)打印，是第四次工業(yè)革命中最重要的技術(shù)之一。為了拓展AM的應(yīng)用范圍，許多研究人員致力于開發(fā)3D打印材料和相應(yīng)的技術(shù)。 先進(jìn)和復(fù)雜的打印材料和3D打印技術(shù)的發(fā)展，加速了AM在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用，如航空航天、生物醫(yī)學(xué)和食品行業(yè)。為促進(jìn)金屬AM在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，相關(guān)的研究都在積極開展之中。然而，與聚合物AM不同的是，由于印刷環(huán)境的苛刻條件，金屬AM仍然只適用于工業(yè)和學(xué)術(shù)規(guī)模，阻礙了消費(fèi)者層級(jí)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。選擇性激光熔煉和電子束熔煉作為突破性技術(shù)已被提出，但對(duì)大功率能源、惰性氣體環(huán)境的需求和高溫預(yù)熱的印刷工藝限制了它們的應(yīng)用范圍。

粘結(jié)劑噴射金屬3D打印(BJM3DP)是一種很有前途的AM技術(shù)，它可以選擇性地將液體粘結(jié)劑噴射到金屬粉末上，使顆粒之間形成粘結(jié)。但BJM3DP商業(yè)化改造的技術(shù)困難仍然涉及克服金屬AM工藝的苛刻條件，包括材料處理、后處理和質(zhì)量控制。然而，與其他金屬3ddp相比，BJM3DP具有特殊的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)樗�具有操作成本低、�?jiǎn)單和安全的高可行性。初始打印過程的環(huán)境條件，以及可能使用商業(yè)上可獲得的墨盒，使該技術(shù)比其他技術(shù)具有更高的可訪問性，這可能有助于消費(fèi)者層級(jí)應(yīng)用。此外，為了使BJM3DP成為一種更容易獲得的綠色技術(shù)，適合于工業(yè)和個(gè)性化應(yīng)用(如快速成型)，需要探索的一個(gè)重要方面是適應(yīng)和對(duì)環(huán)境友好的成分，包括粘結(jié)劑材料。兩種最常用的危險(xiǎn)結(jié)合劑，2-丁氧基乙醇溶液和2-吡咯烷酮溶液，被認(rèn)為是造成這些問題的具體原因。此外，最近開發(fā)的由甲酸銅和辛胺組成的金屬有機(jī)分散油墨也被發(fā)現(xiàn)對(duì)環(huán)境有不良影響。在陶瓷BJ3DPs領(lǐng)域，特別是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)有各種各樣的關(guān)于使用無害粘結(jié)劑材料的研究，但在粘結(jié)劑噴射金屬3D打印(BJM3DP)中，只有少數(shù)候選金屬BJ3DP已經(jīng)被探索，打印物體的孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度等特征遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常見的粘結(jié)劑材料。因此，目前迫切需要拓寬技術(shù)視野，深入開發(fā)新型綠色金屬粘結(jié)劑，使其既環(huán)保又無害，并有可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)印刷制品的理想性能。本文提出的環(huán)保螯合劑有望促進(jìn)綠色金屬3D打印機(jī)充分的工業(yè)和消費(fèi)水平規(guī)模的應(yīng)用。

在這里，韓國(guó)延世大學(xué)Jeong Ho Cho教授團(tuán)隊(duì)介紹了一種BJ3MDP的結(jié)合機(jī)制，該機(jī)制是基于使用由天然水果酸鹽組成的螯合劑作為生態(tài)友好的結(jié)合劑。金屬粒子之間的金屬螯合橋是通過將水噴墨噴到由均勻的金屬粒子和螯合劑混合而成的粉末上而成功形成的。利用傅里葉紅外光譜(FT-IR)、x射線光電子能譜(XPS)和掃描電鏡(SEM)對(duì)金屬-有機(jī)絡(luò)合機(jī)理進(jìn)行了深入分析。然后，對(duì)3d打印的金屬物體進(jìn)行壓縮測(cè)試，以確定其機(jī)械強(qiáng)度與螯合劑類型的依賴關(guān)系。隨后，通過后處理以及優(yōu)化顆粒尺寸和組成的分布，進(jìn)一步提高了機(jī)械強(qiáng)度。最后，利用各種金屬打印出各種形狀的物體，這表明所提出的螯合輔助BJM3DP技術(shù)不僅有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且也適用于廣泛的金屬粉末。

相關(guān)研究成果以題“A general fruit acid chelation route for eco-friendly and ambient 3D printing of metals”發(fā)表在金屬頂刊nature communications上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27730-6

圖1 a.BJM3DP系統(tǒng)示意圖。b.施工機(jī)架上粉末層沉積。c.編程水墨噴射到粉末層。d.天然的環(huán)保水果酸(上)和鈉鹽(下)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。e.已制備的金屬粉末與螯合劑混合物示意圖(左)和金屬螯合后形成的金屬螯合橋示意圖(右)。f.金屬粒子表面金屬螯合橋的化學(xué)結(jié)構(gòu)。g.3d打印菊石殼狀物體攝影圖像(比例尺:10mm)。

圖2 a金屬顆粒表面金屬螯合機(jī)理示意圖。b螯合劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與金屬顆粒表面的配位(左)和FT-IR分析，識(shí)別出振動(dòng)峰(右)。c解卷積XPS峰(左)和螯合金屬顆粒表面的SEM剖面圖(右)(比例尺:100 μm)。d各種螯合物的Al - O/Al - Al原子比(Al 2p譜峰的積分面積)和O - Al/O原子比(O 1s譜峰的積分面積)。e BJM3DP使用各種螯合劑3d打印物體的抗壓強(qiáng)度和模量。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。插圖顯示了3d打印對(duì)象的壓縮測(cè)試的攝影圖像。

圖3 a金屬顆粒表面金屬螯合機(jī)理示意圖。b螯合劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與金屬顆粒表面的配位(左)和FT-IR分析，識(shí)別出振動(dòng)峰(右)。c解卷積XPS峰(左)和螯合金屬顆粒表面的SEM剖面圖(右)(比例尺:100 μm)。d各種螯合物的Al - O/Al - Al原子比(Al 2p譜峰的積分面積)和O - Al/O原子比(O 1s譜峰的積分面積)。e BJM3DP使用各種螯合劑3d打印物體的抗壓強(qiáng)度和模量。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。插圖顯示了3d打印對(duì)象的壓縮測(cè)試的攝影圖像。

圖4 a粉末(左)、打印時(shí)三維物體(中)和燒結(jié)后三維物體(右)的SEM剖面圖(比例尺:100 μm)。b打印時(shí)3D物體和燒結(jié)后3D物體的抗壓強(qiáng)度和模量比較。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。c BJM3DP技術(shù)的最新技術(shù)進(jìn)展，關(guān)于基于各種粘結(jié)劑材料的印刷綠色體的機(jī)械強(qiáng)度。d使用Cu(左)、Fe(中)和ti - 6al - 4v合金3d打印物體的攝影圖像(右)(比標(biāo)尺:10mm)。e與純NaCit相比，3D打印Cu、Fe和Ti−6Al−4V物體的FTIR光譜和對(duì)應(yīng)的峰分離(Δν(COO−))。