4-D-print af multimetalprodukter med en elektrokemisk 3-D-printer på skrivebordet

Firedimensionel (4-D) udskrivning kan skabe komplekse 3-D geometrier, der reagerer på miljøstimuli, åbne nye designmuligheder inden for materialevidenskab. Langt de fleste 4-D-printmetoder bruger polymermaterialer, som begrænser driftstemperaturen under konstruktionsprocessen. I en nylig undersøgelse, Xiaolong Chen og kolleger på Dyson School of Design and Engineering, Department of Earth Science and Engineering og Department of Materials ved Imperial College of London, U.K., udviklet en ny multi-metal elektrokemisk 3-D printer. Enheden var i stand til at konstruere bimetalliske geometrier ved selektivt at afsætte forskellige metaller med temperaturfølsom adfærd programmeret ind i den trykte struktur. I undersøgelsen, de demonstrerede en meniskbegrænset elektrokemisk 3-D-udskrivningstilgang ved hjælp af et multiprinthoveddesign og nikkel- og kobbermaterialer som eksempler, evnen kan overføres til andre deponeringsløsninger. Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

Additiv fremstilling (AM), populært kendt som 3-D print, kan fremstille komplekse 3-D-arkitekturer ved sekventielt at forbinde materialer lag for lag. Fleksibiliteten i AM har nu fundet anvendelser i rumfart, bilindustrien, medicin- og energiindustrien. I første omgang, AM-applikationer fokuseret på brugen af ​​polymerer for at lette konsolidering, enten via fotopolymerisation (stereolitografi) eller termiske processer (såsom fused deposition modellering:FDM). Imidlertid, den øgede udbredelse af metalbaseret AM har nu overført teknologien fra et prototypeværktøj til ingeniørmæssige slutprodukter. De vigtigste teknologier, der bruges til praktiske anvendelser, omfatter:

1. Direkte lasersintring
2. Elektronstrålesmeltning
3. Nedsat energiaflejring, og
4. FDM ved hjælp af et metalfyldt polymerfilament.

De fleste af disse metoder brugte kun et enkelt materiale, mens den igangværende forskningsindsats sigter mod at udvide metoder til at omfatte multi-materiale kapaciteter. En væsentlig ulempe ved de tidligere metoder til metalbaseret multimateriale-teknik var de høje kapitalomkostninger ved eksperimentet og de tilhørende sikkerhedsrisici ved brugen af ​​højeffektlasere, metalpulver og højtemperatur varmebehandling.

Elektrokemisk additivfremstilling (ECAM) er en relativt ny teknik af metal AM, der kan integrere lokaliseret elektrokemisk aflejring af metalioner fra elektrolytopløsninger for at skabe metalstrukturer. ECAM er fordelagtigt, da det eliminerer termiske processer for at tilbyde et sikrere system til en lavere pris, selvom udfordringerne omkring deponeringshastigheden stadig mangler at blive overvundet. En ny designmulighed inkluderede 4-D-print for at skabe selvsamlende og selvregulerende strukturer, der kunne ændre form på grund af miljøstimuli såsom temperatur, fugt eller lys. 4-D strukturer fremstilles almindeligvis ved at syntetisere aktive materialer med temperaturfølsomme egenskaber for at kontrollere de termiske grænsebetingelser og opnå midlertidige former.

Eksisterende multi-metal 3-D print tilgange er termisk baseret, hvor et blæst pulver eller en tråd føres ind i en smeltepool skabt af en laser i et inert miljø. Da metaller har højere smeltetemperaturer sammenlignet med polymerer, det er muligt at skabe 4-D strukturer med højere driftstemperaturer og mekanisk styrke med metal. Imidlertid, forskere mangler endnu at udvikle en billig multi-materiale metalprinter. I nærværende arbejde, Chen et al. præsenteret en ny ECAM-baseret tilgang til at skabe multi-metal strukturer med høj opløsning og lave omkostninger. Som eksempler på fordelene ved tilgangen, forskerne demonstrerede programmerede, mekaniske reaktioner på termiske stimuli ved at konstruere kobber-nikkel bimetalliske strimler.

Det nye arbejde fulgte tidligere eksperimenter udført af det samme forskerhold. I denne undersøgelse rapporterede de karakteriseringsteknikker af de trykte kobber-nikkel bimetalliske strimler, inklusive elektrisk ledningsevne og overflademorfologi ved brug af standardteknikker for scanningselektronmikroskopi (SEM) og røntgencomputertomografi (XCT). Forskerne konverterede en kommerciel FDM 3-D-printer til en billig elektrokemisk multi-metal 3-D-printer. Opsætningen indeholdt to sprøjter; hver med kobbersulfatelektrolyt (blå) og nikkelsulfatelektrolyt (grøn). De indsatte derefter to kobbertråde i kobbersulfatelektrolytsprøjten; en som modelektrode og en anden som reference. Nikkelopløsningssprøjten var ens i sammensætning, med nikkelskum i stedet for kobbertråde. Bevægelserne af opsætningen var computerstyret.

Under fremstillingen, Chen et al. fyldt en sprøjte med elektrolyt til afsætning, mens den anden forblev tom for at forhindre uønsket blanding af elektrolytopløsningerne. I første fase, de afsatte et kobberlag fra den vandige kobbersulfatelektrolyt for at danne en stabil elektrolytmenisk mellem dysen og substratet. Forskerne brugte derefter en potentiostat til at anvende et konstant potentiale og reducere Cu ²⁺ ioner i elektrolytten til metallisk kobber på underlaget. I nærværende arbejde, Chen et al. brugt en elektrospundet nanofiberspids for at lette processen. Efter aflejring af kobberlaget, forskerne aflejrede på samme måde et nikkellag og fik SEM-billeder af materialerne.

Forskerne observerede en klar grænseflade mellem nikkel- og kobberoverflader, hvor begge metalliske lag viste polykrystallinsk eller nanokrystallinsk morfologi. Overfladerne indeholdt også en konveks form på grund af højere reaktionsstrømtæthed under dysebaseret aflejring. For at undersøge termomekaniske egenskaber af de trykte bimetalliske strimler, de placerede prøverne på et opvarmet leje med den ene komponent fast og den anden fri til at bevæge sig. Chen et al. øgede derefter temperaturen fra 50 ⁰ C til 300 ⁰ C og placerede et kamera over prøverne for at se graden af ​​forskydning. På grund af de forskellige termiske udvidelseskoefficienter for kobber og nikkel, forskerne observerede mekanisk deformation af materialerne, genererer indre spændinger i de metalliske lag, der er tæt bundet ved grænsefladen. For at detektere deformationsvinklen, de tilpassede de erhvervede billeder til en cirkel og udledte krumningsradius ved hjælp af MATLAB-software.

Nøgledesignvariabler, der påvirkede krumningsradius for de bimetalliske strimler, omfattede lagtykkelsen, Youngs modul og den termiske udvidelseskoefficient for de to lag som afledt i undersøgelsen. Forskerne målte bøjningsvinklerne for forskellige Cu-Ni bimetalliske strimmelsammensætninger ved forskellige temperaturer og karakteriserede prøverne med XCT-rekonstruktioner, SEM-mikrografer og EDS-kortlægning ved materialegrænsefladen. Chen et al. målte den elektriske ledningsevne af de bimetalliske strimler og implementerede et simpelt elektrisk kredsløb aktiveret af den trykte bimetalliske strimmel. De trykte bimetalliske prøver kunne fungere i højtemperaturmiljøer som observeret med det simple kredsløb. Da forskerne øgede temperaturen til 300 ⁰ C, den bøjede Cu-Ni bimetalliske strimmel, lukker strøm til LED'en og viser dens evne til at fornemme miljøet, åbner nye muligheder for smartere 3-D printede strukturer.

På denne måde Chen et al. udviklet en ny elektrokemisk 3-D printer til at konstruere multimetal (kobber og nikkel) temperaturfølsomme, 4-D strukturer. De karakteriserede den tæt bundne grænseflade af Cu-Ni og programmerede bindingsvinklen af ​​materialerne ved eksponering for temperatur. Som et proof-of-concept, de konstruerede et simpelt temperaturfølende kredsløb og designede termiske stimuli-baserede strukturer af interesse. Resultaterne viste den første rapporterede, lavpris, multi-metal 3-D print tilgang til at skabe høj temperatur 4-D strukturer. Forskningen vil åbne nye muligheder for at skabe intelligente og komplekse, 4-D selvsamlende/aktiverende metalarkitekturer og sensorer ved høje temperaturer ved hjælp af billige komponenter og flere materialer.

© 2019 Science X Network