利用電化學(xué)工藝的多金屬4D打印

供稿人:鐘琪 田小永

電化學(xué)增材制造（Electrochemical Additive Manufacturing，ECAM）是倫敦帝國理工學(xué)院（ICL）開發(fā)的低成本金屬制造新方法。ICL團隊最近發(fā)表了一篇關(guān)于ECAM 4D打印潛力的論文。

ECAM是一種基于電鍍原理的制造方法，通常用于為珠寶首飾增加貴金屬層。它使用帶電金屬離子的液體溶液作為原料，在與帶負電的銅床接觸時產(chǎn)生固體金屬層。用于該過程的常用材料包括銅、鋅、鎳和錫，也可以使用合金�；�本上，任何可以電鍍的金屬都可以用于ECAM工藝。

圖1 多金屬3D打印過程的示意圖. (a) 銅金屬電沉積過程. (b) 鎳金屬電沉積過程。

對比于其他金屬制造技術(shù)，如選擇性激光熔化SLM，電化學(xué)工藝的優(yōu)勢之一是將多種金屬熔合在一起變得更容易。這使科學(xué)家們可以嘗試不同的材料組合，并探索單一金屬結(jié)構(gòu)中不可能實現(xiàn)的技術(shù)。一種技術(shù)就是制造4D打印金屬零件，即在制造之后能夠變形的物體。這是該論文中所述的關(guān)鍵發(fā)展之一，展示了使用多種金屬進行3D打印的能力。利用兩種不同金屬的熱膨脹系數(shù)存在的差異，能夠設(shè)計出能夠隨溫度變化的4D結(jié)構(gòu)。

而通常，4D打印使用的材料僅限于高分子，例如蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）可展開的桁架結(jié)構(gòu)和代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）的自動折疊郁金香。然而，這些高分子材料會受其工作溫度的限制。而采用多金屬4D打印方法，就允許制造的零件在更高的溫度下工作。

ICL團隊通過兩個打印頭，使用不同的電解質(zhì)銅/硫酸銅和鎳/硫酸鎳，能夠選擇性地在不同位置放置不同金屬，實現(xiàn)多金屬4D打印，如圖1所示。

為了展示ECAM的新功能，ICL團隊3D打印了一系列自組裝結(jié)構(gòu)，包括雙金屬條控制電路打開燈，如圖2所示。利用該技術(shù)，我們可以在一個結(jié)構(gòu)中編程，無需外部控制即可開啟和關(guān)閉物體。例如，如果溫度過高，我們可能會制造一個可以收縮流量的閥門，或者制作加熱時自組裝的結(jié)構(gòu)。

圖2 由3D打印雙金屬條驅(qū)動的簡單電路原理圖和照片

參考文獻：
Chen X, Liu X, Ouyang M, et al. Multi-metal 4D printing with a desktop electrochemical 3D printer[J]. Scientific reports, 2019, 9(1): 3973.

供稿人:鐘琪 田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室