科技日報記者 張佳欣

據(jù)最新一期《先進(jìn)材料》雜志報道，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究團(tuán)隊開發(fā)出一種全新3D打印技術(shù)，利用普通水凝膠“生長”出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強度高、密度大的金屬與陶瓷部件，突破了傳統(tǒng)光固化立體打印僅能通過感光聚合物的限制。同時，研究還提出了一種新的增材制造理念，即在3D打印之后而非之前選擇材料。

現(xiàn)有將聚合物轉(zhuǎn)化為金屬或陶瓷的技術(shù)，往往會導(dǎo)致材料多孔、強度不足，而且部件會出現(xiàn)嚴(yán)重收縮，導(dǎo)致變形。為克服這一瓶頸，研究團(tuán)隊提出了獨特的解決方案，即先打印形狀，再決定材料。

他們首先使用水凝膠打印出一個三維支架。隨后，將這一“空白”結(jié)構(gòu)浸入含金屬鹽的溶液中，使金屬離子滲透并在化學(xué)反應(yīng)下轉(zhuǎn)化為分布均勻的金屬納米顆粒。這個過程可重復(fù)多次，最終獲得金屬含量極高的復(fù)合材料。

經(jīng)過5—10輪這樣的“生長循環(huán)”后，研究人員最后通過加熱燒除剩余的水凝膠，留下的便是最終產(chǎn)物，這是一種保持原始形狀、但密度與強度前所未有的金屬或陶瓷結(jié)構(gòu)。

在實驗中，團(tuán)隊利用該技術(shù)成功打印出由鐵、銀和銅構(gòu)成的復(fù)雜數(shù)學(xué)晶格結(jié)構(gòu)——旋面體。這種結(jié)構(gòu)兼具高比強度和復(fù)雜幾何特征，是航空航天和能源器件中理想的設(shè)計形態(tài)。測試結(jié)果顯示，新材料可承受的壓力是傳統(tǒng)方法制備材料的20倍，收縮率僅為20%，遠(yuǎn)低于以往的60%—90%。

團(tuán)隊指出，這項技術(shù)特別適用于制造兼顧輕量化與高強度，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維器件，如傳感器、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、能源轉(zhuǎn)換與儲存裝置等。此外，該技術(shù)還可用于制造具有高比表面積、散熱性能優(yōu)異的金屬結(jié)構(gòu)，用于能源技術(shù)領(lǐng)域。

總編輯圈點

傳統(tǒng)的3D打印流程，通常遵循先設(shè)計、再選材，最后再打印成型的順序。而最新的3D打印工藝卻反其道而行之，先打印再選材，可謂是“逆向思維”的典型案例。后者的優(yōu)勢非常明顯，那就是打破了材料對制造工藝的預(yù)先限制，大大地提升了制造的靈活性和自由度，從而有助于更好地制造出功能復(fù)雜的定制化產(chǎn)品。這種3D打印工藝實現(xiàn)了從“制造零件”到“生長功能”的跨越，有望為航空航天、生物醫(yī)療、機器人等領(lǐng)域帶來新的變革。