让超强材料“长”出来！3D打印新技术实现先打印再选材

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研究团队开发出一种全新3D打印技术，利用普通水凝胶“生长”出结构复杂、强度高、密度大的金属与陶瓷部件，突破了传统光固化立体打印仅能通过感光聚合物的限制。同时，研究还提出了一种新的增材制造理念，即在3D打印之后而非之前选择材料。该成果发表在《先进材料》上。

现有将聚合物转化为金属或陶瓷的技术，往往会导致材料多孔、强度不足，而且部件会出现严重收缩，导致变形。为克服这一瓶颈，研究团队提出了独特的解决方案，即先打印形状，再决定材料。

他们首先使用水凝胶打印出一个三维支架。随后，将这一“空白”结构浸入含金属盐的溶液中，使金属离子渗透并在化学反应下转化为分布均匀的金属纳米颗粒。这个过程可重复多次，最终获得金属含量极高的复合材料。

a) 陶瓷与金属光固化过程中水凝胶注入与沉淀工艺示意图。b) 基于注入-沉淀原理的光固化技术制备的金属氧化物与金属样品光学显微镜图像

来源：论文

经过5—10轮这样的“生长循环”后，研究人员最后通过加热烧除剩余的水凝胶，留下的便是最终产物，这是一种保持原始形状、但密度与强度前所未有的金属或陶瓷结构。

1.3*1.0cm的铁质螺旋二十四面样件

来源：EPFL

在实验中，团队利用该技术成功打印出由铁、银和铜构成的复杂数学晶格结构——旋面体。这种结构兼具高比强度和复杂几何特征，是航空航天和能源器件中理想的设计形态。测试结果显示，新材料可承受的压力是传统方法制备材料的20倍，收缩率仅为20%，远低于以往的60%—90%。

a) 采用注入-沉淀法制备的厘米级铁基螺旋状晶格结构光学图像；b) 铁基支架结构光学图像；c) 毫米级铁基齿轮光学图像；d) 毫米级银基螺旋状结构光学图像；e) 锶铁氧体螺旋状结构光学图像；f) 通过氧化铁粉末可视化呈现锶铁氧体结构周围的磁场分布。

来源：论文

团队指出，这项技术特别适用于制造兼顾轻量化与高强度，且结构复杂的三维器件，如传感器、生物医学设备、能源转换与储存装置等。此外，该技术还可用于制造具有高比表面积、散热性能优异的金属结构，用于能源技术领域。

传统的3D打印流程，通常遵循先设计、再选材，最后再打印成型的顺序。而最新的3D打印工艺却反其道而行之，先打印再选材，可谓是“逆向思维”的典型案例。后者的优势非常明显，那就是打破了材料对制造工艺的预先限制，大大地提升了制造的灵活性和自由度，从而有助于更好地制造出功能复杂的定制化产品。这种3D打印工艺实现了从“制造零件”到“生长功能”的跨越，有望为航空航天、生物医疗、机器人等领域带来新的变革。

来源：

【1】科技日报

【2】EPFL

【3】论文：

Hydrogel-Based Vat Photopolymerization of Ceramics and Metals with Low Shrinkages via Repeated Infusion Precipitation

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