可溶性金屬支撐進(jìn)展顯著 極大推進(jìn)金屬3D打印技術(shù)

盡管在當(dāng)下的3D打印領(lǐng)域，金屬3D打印技術(shù)是一大熱點(diǎn)。但是這一技術(shù)仍有諸多問題有待解決，其中之一就是其金屬制成結(jié)構(gòu)的去除非常麻煩，需要通過大量的機(jī)械加工（這可能損害部件）才能去除。不過，如今這一問題出現(xiàn)了有望解決的曙光。日前，研究人員們剛剛完成了一個(gè)可溶性碳鋼結(jié)構(gòu)的概念證明，這一結(jié)構(gòu)是用來支撐3D打印不銹鋼部件的。據(jù)悉，這是第一種可溶性金屬支撐解決方案，在這個(gè)方案中，碳鋼可以通過一種基于硝酸和氧氣泡的電化學(xué)刻蝕技術(shù)去除掉——而且不會(huì)影響不銹鋼。

這一顯著的突破，被發(fā)表在了一篇名為《3D直接金屬打印的可溶性金屬支撐（Dissolvable Metal Supports for 3D Direct Metal Printing）》的論文里，研究人員在論文中展示了一個(gè)帶90度伸出結(jié)構(gòu)的3D打印金屬對象。作者們認(rèn)為，這一突破將為重要的金屬3D打印創(chuàng)新鋪平道路。尤其是，他們認(rèn)為該技術(shù)將大大減少后處理需要的工作量，從而提高金屬3D技術(shù)創(chuàng)建非常復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。

研究人員們稱，真正的突破在于那些伸出的表面，這些地方需要支撐結(jié)構(gòu)以盡量減少熱變形。不幸的是，支撐結(jié)構(gòu)都需要大量的機(jī)加工后處理來去除。在解決這一問題的時(shí)候，科學(xué)家們想到了一種常見的工藝——犧牲陽極。犧牲陽極通常用于保護(hù)重要部件不被電偶腐蝕，簡單地說就是利用原電池的原理，消耗陽極（原電池的負(fù)極）的金屬來保護(hù)陰極（原電池的正極）金屬。

為此，科學(xué)家們設(shè)想通過類似的原理將更防化學(xué)腐蝕的結(jié)構(gòu)材料（不銹鋼、AISI-431）與具有較低耐化學(xué)性的犧牲金屬M(fèi)etco 91碳鋼結(jié)合起來，前者作為3D打印的主要材料，后者作為支撐材料，然后用硝酸溶液以犧牲陽極的辦法去除支撐?！安讳P鋼具有優(yōu)異的耐硝酸性，而碳鋼迅速能夠被硝酸化學(xué)溶解。”他們說。

為了說明這個(gè)過程，他們使用一臺(tái)帶兩個(gè)送粉器的Optomec LENS MR-7 3D打印機(jī)打印了一個(gè)用于概念驗(yàn)證的橋形對象，該機(jī)器使用的是一種直接能量沉積（DED）3D打印技術(shù)。

具體來說，他們3D印的鋼對象，其中間的三分之一是由碳鋼組成的，其它三面則由不銹鋼組成（包括頂部）。3D打印后，該部件通過一種電化學(xué)蝕刻的方式被暴露在硝酸溶液中——最初沒有氧氣。但是，在實(shí)際操作中他們發(fā)現(xiàn)，刻蝕速度太慢，他們花了10個(gè)小時(shí)，碳鋼的每一端才去除了1.4毫米。為此他們使用了氧氣以加速這一過程，并且取得了顯著的成果（見下圖）?！疤间撌Ｏ碌?毫米在6個(gè)小時(shí)內(nèi)就被去除了?！毖芯咳藛T們稱。

就是這樣一個(gè)小小的變動(dòng)，使得可溶性支撐結(jié)構(gòu)突然變得可行?！斑@種獨(dú)一無二的方法為DED 3D打印技術(shù)引入了一些新功能，顯著減少了這一類型的3D打印金屬部件所需要的后處理工作。”研發(fā)人員們稱：“這些犧牲材料材料將使得DED和其他金屬沉積系統(tǒng)能夠借助可溶性的支撐來3D打印具有任意伸出結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形狀?！?

事實(shí)上，他們相信，使用特定的化學(xué)溶液，這同樣的原則可以適用于更廣泛的金屬和甚至氧化物。但是這種方法有幾個(gè)必須滿足的條件。“具體來說，犧牲陽極必須與零件材料具有冶金兼容性——它們必須有類似的晶體結(jié)構(gòu)、類似的熱導(dǎo)率，相似的熱膨脹系數(shù)，并且應(yīng)避免形成有害的金屬間化合物。這種兼容性可以保證犧牲陽極和組件之間的接口具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以應(yīng)對金屬3D打印過程中的極端熱循環(huán)所引起的應(yīng)力。”他們說?！按送?，還必須確定一種腐蝕性電解質(zhì)，與部件材料相比，這種電解質(zhì)能夠以相當(dāng)高的選擇性（> 100：

1）來溶解犧牲陽極?！?

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