近日，賓夕法尼亞州立大學(xué)和亞利桑那州立大學(xué)（ASU）的研究人員開發(fā)出了可以將Holy Grail解決方案用于加快端到端金屬3D打印流程的方法。

ASU 3D Nanofabrication助理教授Owen Hildreth正在開發(fā)新的反應(yīng)性銀墨生產(chǎn)方法，他參加了ASU理工學(xué)院制造研究與創(chuàng)新中心的談話。其中一位發(fā)言人Timothy Simpson描述了建立3D打印實(shí)驗(yàn)室所面臨的實(shí)際挑戰(zhàn)。

從幾天到幾小時(shí)

作為賓夕法尼亞州立大學(xué)的直接數(shù)字沉積創(chuàng)新材料加工中心的研究教授，Simpson特別感興趣此合作。而且，任何與金屬AM合作的人都知道，支撐結(jié)構(gòu)（特別是散熱系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)和錨固必需）需要長時(shí)間的手工切割和打磨。Simpson在談話中提到：“如果有人知道一種水溶性金屬，我們可以使用其3D打印支撐結(jié)構(gòu)?！?/span>

作為參考，Stratasys是熱塑性塑料應(yīng)用的3D打印公司之一，在幾年前開發(fā)了可溶解支撐的方法。憑借公司的熔融沉積模型（FDM）系統(tǒng)，該設(shè)備為部件本身提供了ABS材料，并將可溶解的PLA用于支撐。盡管如此，但對(duì)于金屬來說，尚未發(fā)現(xiàn)一種類似的方法。

Hildreth表示，他回應(yīng)是：“如果控制當(dāng)?shù)氐幕瘜W(xué)環(huán)境，任何金屬都可以溶解，這只是氧化物表面層（不管具體的3D打印金屬技術(shù)如何生產(chǎn)）”，他認(rèn)為他可以使用諸如用于保護(hù)不銹鋼船體不腐蝕的犧牲陽極的原理來繞過氧化物問題，讓別的東西具有首當(dāng)其沖的效果。

采取電化學(xué)方法

Hildreth擁有機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位與博士學(xué)位。在納米制造材料工程中，其為金屬支撐問題帶來新的視角。與使用諸如電火花線切割設(shè)備的機(jī)械工具相比，他的概念將會(huì)使金屬AM部件的某些區(qū)域在浸入腐蝕性溶液中時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。目標(biāo)是產(chǎn)生可控制的退化，這種退化會(huì)逐漸去除支撐，但實(shí)際上部件幾乎保持不變。

Hildreth進(jìn)行了幾個(gè)場景的測試。他首先要求Simpson采用賓夕法尼亞州立大學(xué)的Optomec直接金屬沉積系統(tǒng)創(chuàng)建1英寸不銹鋼拱門，碳鋼支架開口。與鼓泡氧氣一起使用的硝酸溶液，由飽和氫電極控制，成功蝕刻掉碳鋼。

然而，由于多材料3D打印系統(tǒng)尚未廣泛使用，Hildreth還研究了選擇性地去除粉末床金屬3D打印部件支撐物的方法。從一個(gè)簡單的演示設(shè)計(jì)開始，一個(gè)小巧的17-4不銹鋼圓柱體，3D打印了一排100微米直徑的針狀支撐，他測試了兩種可能的方法。

第一個(gè)稱為直接溶解，部分被熱處理，同時(shí)填充亞鐵氰化鈉；該步驟沉淀出大量的保護(hù)性碳化鉻，使不銹鋼不易被化學(xué)腐蝕。后一個(gè)過程是成功的，但是該部分本身經(jīng)歷了顯著的蝕刻，這部分時(shí)間越長，該部分被允許用于解決方案中。

大幅度縮短后處理時(shí)間

為了使該方法更具時(shí)間敏感性（自終止），Hildreth在后續(xù)打印退火步驟中引入了敏化劑六氰酸鐵鈉。在高溫下，這種化學(xué)物質(zhì)會(huì)分解并擴(kuò)散到不銹鋼部件中的碳和氮，以有效地將頂部100至200微米轉(zhuǎn)化為碳鋼而不是不銹鋼。由于支撐物僅為約125微米厚，因此它們完全具備敏感度，而只有實(shí)際部件的薄殼才能轉(zhuǎn)化。通過施加正確的偏置電壓，支撐體會(huì)受到陽極腐蝕，而部件本身起著陰極的作用，并保持保護(hù)。

在EOS激光燒結(jié)粉末床系統(tǒng)上制造的互鎖不銹鋼環(huán)上進(jìn)行了一個(gè)很好的測試，因?yàn)椴考哂星短椎拿芗怪敝?。零件蝕刻7小時(shí)后，部件從支撐件中脫落；這可能看起來是一段很長的時(shí)間，但是傳統(tǒng)的機(jī)械加工也需要32到40個(gè)小時(shí)來做同樣的工作。

據(jù)悉，車間的成本通常在每小時(shí)30到100美元之間，這種大多數(shù)無人值守的自動(dòng)終止過程在成本、時(shí)間和復(fù)雜性方面節(jié)省了大量的成本。

Hildreth最近在3D打印方面的成績頗為突出。目前，他正在尋求資金來改進(jìn)流程，并將其擴(kuò)展到使用不同解決方案和工藝參數(shù)的其他金屬工藝中。

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來源：3D虎