用于原位微结构控制的微金属3D打印工艺面世

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7月400日,记者了解到,德克萨斯大学达拉斯分校机械工程系的一组研究人员创造创造发明了并不是 基于电化学的金属3D打印土方法,命名为局部脉冲电沉积(L-PED)。采用该土方法,该团队在打印过程中获得了金属微底部形态的原位控制。L-PED不受后处置的影响,通过调整工艺参数,增强了3D打印纯晶体金属的机械和电气性能。

采用L-PED的微型金属3D打印

在L-PED中,电沉积用所选金属的电解质限制在喷嘴尖端。当喷嘴接近基板时,金属离子沉积在导电基板和喷嘴之间形成的弯月面上。以毫秒为间隔在喷嘴和基板之间重复施加非常高的电流。

在标准条件下,该团队设法获得90±5%的电流速率,这原应杂质或氧气的趋于稳定大约。喷嘴和基板的相对位置的精确和受控的运动使得底部形态要能以期望的3D几何底部形态打印。通过该土方法能能打印不同的几何底部形态,这种独立式线,微柱(μ柱)和逐层底部形态。

L-PED 3D打印过程的原理图。

增强速率,延展性和导电性

使用L-PED工艺,直接3D打印数五个铜μ柱。几五个铜μ-支柱直接进行3D打印。聚焦离子束从感兴趣材料的薄膜中制备出平均电流密度为2——35 nm s^-1的这种μ柱……对于此参数范围,所有打印的铜μ柱都暗含双边界。已知趋于稳定平行的孪晶边界阵列以增强机械和电气性能。

(E)3D打印的μ柱(F)阵列的SEM图像,通过逐层L-PED(G)螺旋图案打印的40层底部形态和(H)a的特写视图μ-支柱。

控制L-PED微观底部形态的关键参数是平均电流密度。平均电流密度与平均沉积速率成正比。随着沉积速率增加,孪晶边界的密度增加。随机取向的晶粒变得更加圆柱形随后尺寸更小,晶粒外部的孪生晶界变得更加整齐划一。

为了研究打印铜的微观底部形态与性能之间的关系,在原位打描电镜(SEM)微压缩实验中,对打印铜柱进行了测试。原位SEM纳米化学实验的结果显示,平均电流密度增加约1.7倍,原应金属沉积速率增加约1.4倍,这原应打印金属的流动应力增强约44%。有点是,通过在打印期间改变微底部形态,能能将3D打印铜的流动应力调整为块状铜的3-5倍。

使用并不是 不同的平均电流密度和压缩的μ柱对打印的μ柱进行原位SEM微压缩实验。

研究人员通过控制平均电流密度成功地证明了对孪晶边界和晶粒尺寸的密度和取向的控制。精细的铜3D打印具有良好对齐和高密度的双边界,显示出具有高速率、延展性和导电性。

微尺度金属增材制造

觉得目前微型AM的重点是创造具有繁杂几何底部形态的微小底部形态,但该行业面临的最严峻挑战之一是对打印金属的材料底部形态的控制。目前可用的物理和联 学金属μ-AM工艺的实例是直接油墨打印(DIW)和电流体动力学打印(EHD)。DIW和EHD通常要能 热处置以从打印复合材料中除去有机基质。通常高达400-4000℃,在后处置过程中一直趋于稳定明显的孔隙率,致密化和金属相的晶粒生长。

实现对微底部形态的原位控制,L-PED明显优于目前可用的图案化和3D打印金属工艺。研究的一同作者之一Soheil Daryadel说:“这种 重要的进步消除了后处置工程微观底部形态的要能 ,这通常会对材料底部形态产生不良影响。”

随后其优异的材料底部形态,L-PED为实现金属μ-AM的功能应用铺平了道路,如电子器件、微机电系统(MEMS)、光学器件和传感器等。但目前,能能了沉积有限数量的金属,包括铜,铂,金,未来仍将通过L-PED打印或多或少金属和合金。

论文《使用局部电沉积控制微尺度铜增材制造中的微观底部形态》发表在Advanced Engineering Materials杂志上。它由Soheil Daryadel、Ali Behroozfar和Majid Minary-Jolandan一同撰写。