3D 打印方法可在水基凝膠內“生長”複雜、超強的材料。

缸光聚合是一種3D打印方法，其中將光敏樹脂倒入缸中，然後使用激光或紫外光選擇性地固化成所需的形狀。但該工藝主要僅用於光敏聚合物，限制了其有用的應用範圍。

雖然一些 3D 打印技術已經被開發出來，可以將這些打印的聚合物轉化為更堅固的金屬和陶瓷，但 EPFL 工程學院材料化學和製造實驗室負責人 Daryl Yee 解釋說，使用這些方法生產的材料存在嚴重的結構缺陷。

“這些材料往往是多孔的，這大大降低了它們的強度，並且部件會遭受過度收縮，導致翹曲，”他說。

現在易和他的團隊在《 先進材料 它描述了該問題的獨特解決方案。

洛桑聯邦理工學院團隊沒有像以前的方法那樣使用光固化預浸漬有金屬前體的樹脂，而是首先用一種稱為水凝膠的簡單水基凝膠創建三維支架。然後，他們用金屬鹽填充這種“純”水凝膠，然後將其化學轉化為滲透結構的含金屬納米顆粒。然後可以重複該過程以生產具有非常高金屬濃度的複合材料。

經過五到十個“生長周期”後，加熱的最後階段會燒掉剩餘的水凝膠，留下成品：原始純聚合物形式的金屬或陶瓷物體，前所未有的緻密和耐用。由於水凝膠僅在製造後才用金屬鹽浸漬，因此該方法允許將一種水凝膠轉化為許多不同的複合材料、陶瓷或金屬。

Yee 總結道：“我們的工作不僅使用易於使用、低成本的 3D 打印工藝生產高質量的金屬和陶瓷；它還凸顯了增材製造的新範例，其中材料選擇發生在 3D 打印之後而不是之前。”

專注於前沿3D架構

在他們的研究中，該團隊用鐵、銀和銅製造了稱為陀螺儀的複雜數學晶格形狀，證明了他們的技術能夠創建堅固但複雜的結構。為了測試材料的強度，他們使用一種稱為萬能試驗機的設備向陀螺儀施加越來越大的壓力。

“我們的材料可以承受 20 倍於以前方法生產的壓力，同時收縮率僅為 20%，而收縮率為 60-90%，”博士說。學生和第一作者季一鳴。

科學家們表示，他們的方法對於創建同時需要堅固、輕量和復雜的先進 3D 架構特別有趣，例如傳感器、生物醫學設備或能量轉換和存儲設備。例如，需要金屬催化劑來進行將化學能轉化為電能的反應。其他應用可能包括具有高表面積和改進的能源技術冷卻性能的金屬。

展望未來，該團隊正在努力改進其工藝，以使其更容易在工業中採用，特別是進一步提高材料的密度。另一個目標是速度：重複的灌注步驟雖然對於生產更堅固的材料是必要的，但使得該方法比其他將聚合物轉化為金屬的 3D 打印方法更加勞動密集。

“我們已經在努力通過使用機器人自動化這些步驟來減少總體處理時間，”Yee 說。