Svizzera: nuova tecnologia Multi-Metal elettroidrodinamica Redox 3D
I ricercatori svizzeri spiegano di più su come i metalli disciolti e ri-depositati nei solventi liquidi possono favorire i processi AM promuovendo la fabbricazione senza post-elaborazione. Le loro scoperte sono delineate nella recente pubblicazione ‘ Multi-metal elettroidrodinamica redox 3D printing at submicron scale ‘. Questo nuovo metodo consente agli utenti di creare strutture 3D multi-metallo policristallino da un singolo ugello con più canali.
Gli autori sottolineano che la produzione additiva su microscala è molto popolare, e in particolare con capacità espanse in relazione ai materiali. Gli utenti vogliono di più e soprattutto a livello industriale; realisticamente però, le sfide ancora abbondano:
“… in primo luogo, gli approcci multi-ugello comuni impongono ampi limiti pratici alla complessità dell’architettura chimica 3D; in secondo luogo, le proprietà as-deposited di materiali inorganici, per lo più dispensati come inchiostri nanoparticelle, sono spesso lontane da quelle richieste nella microfabbricazione, e l’elaborazione post-stampa, quindi richiesta, complica in gran parte la combinazione di molti materiali “, affermano i ricercatori.
La stampa redox elettroidrodinamica senza inchiostro (EHD-RP) elimina questi problemi in metallo, con stampa diretta e combinazione di materiali da un ugello. Gli autori affermano che il loro nuovo metodo offre “un controllo ineguagliato dell’architettura chimica 3D delle strutture stampate”. È possibile utilizzare molti metalli diversi in EHD-RP, con possibilità di stampa sia diretta che indiretta.
Stampa elettroidrodinamica redox (EHD-RP). a Principio di funzionamento: (1) Gli ioni metallici solubili Mz + sono generati all’interno dell’ugello di stampa mediante elettrocorrosione di un elettrodo metallico M0 immerso in un solvente liquido. (2) Le gocce di solvente caricate ionicamente vengono espulse dalle forze elettroidrodinamiche. (3) All’atterraggio, gli ioni Mz + vengono ridotti a zero metallo di valenza M0 attraverso il trasferimento di elettroni dal substrato. La commutazione della tensione ossidativa tra diversi elettrodi in un ugello multicanale consente la modulazione al volo della chimica stampata (Schemi non disegnati in scala: le dimensioni tipiche del filo dell’elettrodo sono 100 μm × 2 cm). b Tipico ugello a due canali. c Micrografia ottica del processo di stampa. Barra della scala: 10 μm. d, e Stampa di Cu, Ag e Cu-Ag da un singolo ugello a due canali. d Spettri di massa degli ioni espulsi quando si sollecita l’elettrodo Cu, l’elettrodo Ag o entrambi gli elettrodi immersi in acetonitrile (ACN). e Colonne stampate Cu, Ag e Cu-Ag con corrispondenti spettri X-ray (EDX) disperdibili in energia che riflettono la natura chimica del rispettivo elettrodo di source (sfondo sottratto). I picchi C-K e O-K provengono probabilmente dal solvente residuo e dall’ossidazione minore, rispettivamente. I contenuti di Cu e Ag dei pilastri di Cu-Ag sono dati in at.% Normalizzati al segnale totale di Cu + Ag. Barre della scala: 500 nm. I contenuti di Cu e Ag dei pilastri di Cu-Ag sono dati in at.% Normalizzati al segnale totale di Cu + Ag. Barre della scala: 500 nm. I contenuti di Cu e Ag dei pilastri di Cu-Ag sono dati in at.% Normalizzati al segnale totale di Cu + Ag. Barre della scala: 500 nm.
Gli autori menzionano che mentre c’è un disallineamento laterale molto piccolo durante il passaggio, c’è stata qualche indicazione di un lieve spostamento tra i due metalli. Gli autori affermano che questo di solito è causato dall’asimmetria dell’ugello. La complessità della geometria e della fedeltà non è così alta come vorrebbe gli autori, ma affermano che questo è un problema comune nelle tecniche di microstampa basate su EHD.
Prestazioni geometriche e microstruttura stampata. una matrice di colonne 50 × 50 Cu stampate con una spaziatura punto-punto di 500 nm. Barra della scala: 5 μm. b Pareti stampate a distanze decrescenti da parete a parete, con una spaziatura minima di 250 nm. Altezza: dieci strati per l’immagine più a sinistra, tre strati per gli altri. Barre della scala: 1 μm. c Linea Cu stampata inferiore a 100 nm in larghezza. d filo di rame con un rapporto di forma di circa 400. e sbalzi formati da una traslazione laterale dello stadio che bilancia il tasso di crescita fuori dal piano. La sequenza dei pilastri è stata stampata aumentando la rispettiva velocità di traslazione sul piano verso il montante anteriore, con una velocità massima di 2,1 μm s-1. Barra della scala: 1 μm. f Onde sinusoidali concentriche fuori dal piano stampate con una strategia strato per livello. Barra della scala: 2 μm. g Pilastro in Cu asimmetrico e corrispondente sezione trasversale che mostra la microstruttura densa, policristallina. Barre della scala: 200 nm
Questo processo migliora anche le proprietà meccaniche ed elettriche, consentendo il potenziale in applicazioni per la produzione di sensori o attuatori, metamateriali ottici e legatura di cavi su piccola scala. Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato solo tre metalli, ma tale numero potrebbe essere aumentato con l’uso di ugelli che supportano canali aggiuntivi.
“Pertanto, EHD-RP ha il potenziale per sbloccare percorsi unici per la realizzazione dal basso verso l’alto di dispositivi 3D e materiali progettati chimicamente con proprietà localmente sintonizzate e un uso razionale degli elementi di lega. Tali materiali potrebbero trovare applicazione nella catalisi, nei dispositivi chimici attivi, nella robotica su piccola scala e nei materiali architettonici che vanno oltre i progetti cellulari monomateriali “, hanno concluso i ricercatori.
Mentre si può guardare a un termine come la stampa 3D redox elettro-idrodinamica e pensare che le cose stiano davvero uscendo ora, l’idea alla base del processo è molto semplice, ma duplice: affinare ulteriormente la stampa 3D e la produzione additiva ancora molto diffusi processi di post-elaborazione molto temuti
Controllo additivo dell’architettura chimica con un singolo ugello. a, b Passaggio rapido tra due metalli stampati da un ugello a due canali. una somma di correnti ioniche di spettrometria di massa (MS) di cationi di Cu + (rosso) e di Ag + (blu) espulsi al passaggio della tensione anodica tra un elettrodo di Cu e un elettrodo di Ag ad intervalli diversi. Il passaggio tra due specie di ioni espulsi è altamente selettivo. b Micrografia Overlaid SE e mappa elementare EDX di traiettorie stampate con lo stesso profilo di commutazione di (a) (segnale Cu-L, rosso e segnale Ag-L, blu). I corrispondenti profili di linea EDX mostrano che la commutazione tra Cu e Ag viene risolta fino alla più piccola larghezza dell’impulso. Barra della scala: 2 μm. c, d Esempi di strutture chimicamente eterogenee stampate usando un singolo ugello. c Sequenza di pilastri con diversi numeri di periodi di modulazione di Cu e Ag. Barre della scala: 1 μm.
