nature：低成本多金属4D打印ECAM技术，融合电化学工艺

新技术新突破...

南极熊发现，nature期刊的Scientific Reports上发布了低成本电化学多金属4D打印ECAM的论文。电化学增材制造（ECAM）是伦敦帝国理工学院（ICL）开发的低成本金属制造的新方法。

下面这台低成本电化学多金属3D打印机，看起来就像是使用普通的FDM 3D打印机进行改装，有“两个针筒组成的喷头”，使用电化学的工艺来处理金属材料。


△低成本电化学多金属3D打印机图解。 （a）前视图。 （b）打印头建立。 （c）突出显示沉积喷嘴和沉积的双金属条的详细视图。

Billy Wu博士是新的ECAM科学报告文章的三位作者之一。在担任ICL戴森设计工程学院能源与制造高级讲师期间，Wu博士还是该大学的增材制造网络（AMN）的联合负责人。


△ECAM 3D打印的样本，拼写出伦敦帝国理工学院的缩写。

无激光金属增材制造

ECAM是一种基于电镀原理的制造方法，通常用于为珠宝首饰添加更多有价值的金属层。它使用带电金属离子的液体溶液作为原料，在与带负电的铜床接触时产生固体金属层。如Wu博士所解释的，用于该过程的常用材料包括“铜，锌，镍和锡”，尽管也可以使用合金。“基本上，”他补充道，“任何可以电镀的金属都可以用于ECAM工艺。”


△多材料3D打印过程的示意图。 （a）弯月面控制铜电沉积过程。 （b）弯月面控制镍电沉积过程


△3D打印铜镍双金属条的光学顶视图和横截面SEM显微照片，具有3小时（5V电压Cu）铜沉积时间和（a）1小时，（b）3小时和（c）5小时（ 2 V电压  Ni）镍沉积时间及伴随的EDS分析

例如，依赖于激光功率的电化学工艺优于其他金属制造技术的益处之一是，将多种金属熔合在一起变得更容易。反过来，这使科学家们可以尝试不同的材料组合，并探索单一金属结构中不可能实现的可能性。一种这样的可能性是产生4D打印金属物体，即在制造之后能够变形的物体。正如Wu博士所说，这是该团队最新报告的关键发展之一，“我们现在已经展示了使用多种金属进行打印的能力。”

“由于两种不同金属的热膨胀系数存在差异，因此我们能够设计出可随温度变化的4D结构。”


△双金属条的热机械性能相关公式


△图表：（a）在不同温度下测量不同Cu-Ni双金属条的弯曲角度。（b）具有理想几何形状的Cu-Ni双金属条的理论弯曲角度。 （c）XCT重建
Cu（3hr）-Ni（1hr）和Cu（3hr）-Ni（5hr）样品具有重建的横截面图像。 （d）SEM显微照片和Cu-Ni-Cu界面的EDS映射。 （e）具有不同间隙的三层条带的位移测量宽度以及经过验证的FEA模拟。 （f）双金属条的电导率测量。（g）由打印双金属条驱动的简单电路的示意图和照片。

适用于高温应用的4D打印

正如Wu博士在我们的谈话中正确指出的那样，4D打印通常仅限于聚合物，例如苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）可展开的桁架和代尔夫特理工大学（TU Delft）的自动折叠郁金香。“然而，”他补充说，“这些[聚合物]受其工作温度的限制。”

Wu博士补充说，他的团队最新研究背后的驱动因素是：“采用4D金属打印方法，可以实现更高的温度操作。”此外，为了增强ECAM开发的最初目的，“被动驱动简化了复杂物品的设计，使其更便宜、更可靠（更少的部件）、更节能。”

为了实现多金属4D打印，ICL团队在2017年的基础上进行了技术改进以研制出现有的ECAM系统：“通过简单添加另一种打印头，使用不同的电解质铜/硫酸铜和镍/镍硫酸盐，”Wu博士解释说，“我们能够选择性地在不同地点沉积不同的金属。”

自动开关阀

为了展示ECAM的新功能，ICL团队3D打印了一系列自组装结构，包括“双金属条控制电路打开阀”。进一步描述这种装置，Wu博士说：“因此，我们可以在一个结构中编程，无需外部控制即可开启和关闭物体。例如，如果温度过高，我们可能会制造一个可以限流的阀门；或者加热时自组装的结构。”


△通过ECAM制作的4D驱动开关的演示。

该实验的全部结果在《使用电化学3D打印机进行多金属4D打印》一文中公开，由Xiaolong Chen, Xinhua Liu, Mengzheng Ouyang, Jingyi Chen, Oluwadamilola Taiwo, Yuhua Xia, Peter R. N. Childs, Nigel P. Brandon 和吴博士共同撰写。

• 《Multi-metal 4D printing with a desktop electrochemical 3D printer》.PDF全文获取，可直接往南极熊公众号后台回复关键词“  电化学金属  ”。

研究人员表示，尽管FDM和聚合物3D打印技术已有一系列经济实惠的系统，但金属3D打印技术依然昂贵，这也是他们选择集中研发金属3D打印机的原因之一。而且材料成本、昂贵的激光系统和必须的气体，如氩气，高成本意味着金属3D打印只适合一些工业领域，如医疗、航空航天和汽车制造业。而ECAM这种新工艺比目前市场上的金属3D打印入门门槛低，但目前仍不知何时这种工艺能商业化。

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