Инженеры Caltech разработали новый метод 3D-печати металлов на основе гидрогеля

Новый процесс получил название "HIAM" (Hydrogel Infusion Additive Manufacturing) - "Процесс аддитивного производства на основе инфузии гидрогеля". Как отмечается в пресс-релизе института, он может быть использован для различных металлов - даже нескольких типов в одной и той же детали - с незначительными изменениями и может проложить путь к изготовлению миниатюрных компонентов для микроэлектронных механических систем (MEMS) - точных компонентов для транспортных средств и космических приложений, теплообменников или биомедицинских устройств.

Задача, которую пытались решить исследователи, заключалась в преодолении ряде трудностей, с которыми сталкиваются существующие процессы металлической 3D-печати. В частности, современные процессы 3D печати часто используют лазер для нагрева металлических порошков, что позволяет создавать структуры с разрешением около 100 микрон, что примерно соответствует толщине двух листов бумаги. Проблема заключается в том, что металлы, особенно с высокой теплопроводностью, такие как медь, настолько хорошо передают тепло, что даже при использовании тонко сфокусированного лазера тепло распространяется и плавит порошок за пределами нужной области, снижая возможное разрешение отпечатка.

Исследователи разработали другой подход к этой проблеме: вместо непосредственного формирования металла они печатают 3D гидрогель и используют его в качестве основы для жидких прекурсоров, содержащих металлы. Позже, одним из участников исследования Каем Нарита была основана компания "3D Architech", которая лицензирует новую технологию Caltech.

Гидрогели - это материалы из гибких полимерных цепочек, которые не растворяются в воде и используются для изготовления, например, таких изделий, как мягкие контактные линзы. Однако в процессе HIAM непосредственная 3D-печать гидрогелей не происходит. Вместо этого исследователи на DLP принтере печатали сначала структуры их органогеля на основе N,N-диметилформамида (DMF)/полиэтиленгликоль диакрилата (PEGda), а потом в результате замены растворителя, DMF заменяется водой, превращая органогели в гидрогели.

Затем в полученные гидрогелевые структуры добавляются соли металлов, растворенные в воде, в результате чего ионы металлов проникают в гидрогель, а не просто покрывают его поверхность. Кальцинирование на воздухе превращает гидрогели, наполненные солями металлов, в оксиды металлов, а последующее восстановление в формовочном газе (95% N2, 5% H2) позволяет получить металлические копии напечатанной структуры.

На протяжении всего процесса форма детали, заданная во время DLP-печати, сохраняется, при этом каждый размер подвергается линейной усадке приблизительно на 60-70%. Как отмечается в пресс-релизе тепло не только удаляет гидрогель, но и заставляет общую структуру уменьшаться по мере его сгорания , в результате чего получается еще более тонкая металлическая структура. С помощью этого процесса, помимо чистых металлов, команда может производить металлические сплавы и многокомпонентные металлические системы с размерами элементов около 40 микрон, что составляет менее половины ширины человеческого волоса.

По словам исследователей: "Одним из интересных моментов является то, что процесс работает с различными металлами при незначительной настройке "реакционной" фазы и создает новые возможности для микромасштабной инженерии материалов". В ходе разработки процесса команда создавала 3D-печатные структуры из меди, никеля, серебра и различных металлических сплавов.

Процесс, разработанный учеными, был описан в статье "Additive Manufacturing of Micro-Architected Metals Via Hydrogel Infusion", опубликованной 20 октября в Nature.