蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）和南洋理工大學(xué) (NTU) 的研究人員開發(fā)了一種新的3D打印技術(shù)，能夠生產(chǎn)納米級(jí)金屬部件。

基于電化學(xué)方法，該工藝可用于制造直徑小至25納米的銅物體。作為參考，人類頭發(fā)的平均直徑約為75微米，而這種銅物體的直徑時(shí)是人類頭發(fā)的1/3000。

據(jù)Dmitry Momotenko博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組稱，這種3D打印技術(shù)將在微電子、傳感器和電池技術(shù)方面具有潛在應(yīng)用。

使電鍍適應(yīng)增材制造

ETH/NTU納米打印方法實(shí)際上基于電鍍工藝，這是制造業(yè)中使用的一種金屬涂層技術(shù)。為了電鍍零件，制造商將帶正電的金屬離子懸浮在鹽溶液中，然后將帶負(fù)電的電極添加到該液體溶液中，使離子與電極中的電子結(jié)合并形成中性金屬原子。原子作為涂層沉積在電極上，并在表面上緩慢形成固體層。

Momotenko博士補(bǔ)充說：“在這個(gè)過程中，固體金屬是由液體鹽溶液制成的——電化學(xué)家可以非常有效地控制這個(gè)過程?！?/p>

納米打印過程在完全相同的前提下運(yùn)行，即使用微型移液器將帶正電荷的銅離子沉積到帶負(fù)電荷的打印表面上。在這種情況下，該團(tuán)隊(duì)使用了僅1.6納米寬的噴嘴尖端，這意味著一次只能通過兩個(gè)銅離子。這與幾個(gè)電化學(xué)打印參數(shù)相結(jié)合，使團(tuán)隊(duì)能夠密切控制打印結(jié)構(gòu)的直徑。該論文報(bào)告說，最小的打印物體只有25納米寬（195個(gè)銅原子）。

另一方面，傳統(tǒng)的粉末基金屬3D打印機(jī)通常只能達(dá)到微米級(jí)分辨率，這仍然是目前研究中的分辨率的數(shù)千倍。
“我們正在研究的技術(shù)結(jié)合了兩個(gè)領(lǐng)域——金屬打印和納米級(jí)精度。”Momotenko博士解釋道。

金屬3D納米打印的應(yīng)用

有趣的是，Momotenko博士的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們的3D打印過程能夠制造各種各樣的物體類型，包括垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)、傾斜甚至螺旋。這種強(qiáng)大的方法適用于一系列新穎的應(yīng)用，例如更高效的儲(chǔ)能設(shè)備、微電子，甚至用于化學(xué)生產(chǎn)目的的3D打印催化劑。

就未來的工作而言，研究人員目前正致力于將該技術(shù)應(yīng)用于3D打印更緊湊的鋰離子電池。這些設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是增加了電極的表面積，縮短了電極之間的距離，所有這些都是為了加快充電過程。

該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“將電化學(xué)三維打印帶入納米級(jí)”的論文中找到。

延伸閱讀
3D打印領(lǐng)域常常出現(xiàn)一些具有創(chuàng)新性的技術(shù)。10月，英國拉夫堡大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種稱為材料處理擠出增材制造 (MaTrEx-AM) 的混合制造方法，它使用丙酮來增強(qiáng)3D打印零件的結(jié)構(gòu)。

通過改變丙酮的用量和使用位置，制造商可以控制零件變形，從而創(chuàng)造出具有新的機(jī)械性能的零件。同時(shí)，這種制造方法還可實(shí)現(xiàn)4D打印，實(shí)際應(yīng)用包括用于頭盔襯墊的4D晶格，以避免撞擊傷害或作為生物醫(yī)學(xué)植入物。
研究團(tuán)隊(duì)成員Andy Gleadall 博士說：“3D打印是一層一層地增加材料的，有點(diǎn)像你把很多木頭橫著疊在一起時(shí)看到的一樣，層與層之間存在幾何缺陷，不同材料之間的結(jié)合可能不如純聚合物那樣好，MaTrEx-AM對(duì)于那些容易在打印過程中變形的零件將有巨大價(jià)值?！?/p>

“機(jī)械性能隨時(shí)間變化的特性意味著MaTrEx-AM為材料性能增加了一個(gè)新的維度，現(xiàn)場(chǎng)混合處理實(shí)現(xiàn)了4D打印?！?Gleadall 博士補(bǔ)充說。

在德國Fraunhofer IWS研究所，來自德國和以色列的科學(xué)家正在聯(lián)合測(cè)試一種用于工業(yè)加工的新型激光器。以色列Civan Lasers公司的這臺(tái)13kW “動(dòng)態(tài)光束”激光器將數(shù)十個(gè)單獨(dú)的光束組合成高質(zhì)量的強(qiáng)大激光束。通過部分光束中波谷和波峰的小相移（光相控陣），激光器可以在激光束中快速生成不同的能量分布模式，而典型激光器僅在光束中心聚焦能量。新激光器系統(tǒng)可在工件上產(chǎn)生例如環(huán)形、八字形或馬蹄形的能量聚焦模式。

要想達(dá)到新系統(tǒng)同樣的能量分布模式，過去往往需要通過光束偏轉(zhuǎn)光學(xué)器件或快速振蕩反射鏡實(shí)現(xiàn)。但即使是最快的振蕩反射鏡，仍然需要幾毫秒時(shí)間重新調(diào)整激光束的能量模式。研究團(tuán)隊(duì)的測(cè)試內(nèi)容包括評(píng)估將動(dòng)態(tài)光束整形用于金屬增材制造的可能性。作為“ShapeAM”項(xiàng)目的一部分，研究人員測(cè)試新激光器系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)材料特性的改進(jìn)。

具體而言，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是鈦、鋁合金的增材制造，這些材料將應(yīng)用于航天器部件、植入物和汽車輕量化部件。測(cè)試過程中，Civan Lasers公司計(jì)劃使用動(dòng)態(tài)光束整形技術(shù)消除工藝加工中可能出現(xiàn)的缺陷，從而獲得更高質(zhì)量的3D打印效果。公司首席執(zhí)行官Eyal Shekel博士表示，“ShapeAM項(xiàng)目使我們能夠探索動(dòng)態(tài)光束整形在金屬增材制造中的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

可以預(yù)見的是，新型激光器在增材和連接工藝中將實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池表面和熔池深度的快速精確控制。研究團(tuán)隊(duì)期待在無毛刺切割和高邊緣質(zhì)量方面，新型激光器能繼續(xù)顯現(xiàn)出激光切割的優(yōu)勢(shì)。他們估計(jì)，與傳統(tǒng)光纖激光器相比，“動(dòng)態(tài)光束”激光器的加工速度可以提升兩倍。