“Nature”: sovvertire l’artigianato tradizionale! Produzione additiva di metalli microstrutturati altamente gemellati e duri!
Introduzione: Metal Additive Manufacturing (AM) consente la produzione di componenti di alto valore e ad alte prestazioni nei settori aerospaziale e biomedico . La produzione strato per strato aggira i limiti delle tradizionali tecniche di lavorazione dei metalli per produrre parti in modo rapido ed efficiente che consentono l’ottimizzazione della topologia . Le tecnologie di produzione additiva esistenti si basano sulla fusione termica o sulla sinterizzazione delle parti per formare, che è costosa e con materiali limitati. Questo documento sviluppa una tecnica di produzione additiva per produrre metalli e leghe con risoluzione su microscala mediante fotopolimerizzazione riduttiva (VP). A differenza delle strategie VP esistenti (in cui i materiali target o i precursori vengono inseriti nella fotoresina durante la stampa), il nostro metodo non richiede la riottimizzazione della resina e i parametri di polimerizzazione per materiali diversi, consentendo una rapida iterazione, regolazione della composizione, produzione di una varietà di materiali. Dimostriamo la produzione additiva di metalli con una dimensione critica di 40 μm, una sfida per la fabbricazione di processo tradizionale. Questo metallo derivato dall’idrogel possiede una microstruttura altamente compatta e una rigidità eccezionalmente elevata, fornendo strade per la creazione di micromateriali metallici avanzati. La produzione additiva di metalli si ottiene principalmente attraverso la fusione del letto di polvere e i processi di deposizione diretta di energia. Il processo strato per strato può fabbricare multimateriali metallici e materiali compositi funzionalmente classificati, ma questo processo basato sul laser è difficile da produrre materiali come il rame; l’elevata conduttività termica e il basso assorbimento del laser rendono difficili l’inizio termico e l’assorbimento del laser. Localizzazione di fusione o sinterizzazione. VP è una potenziale alternativa che utilizza la polimerizzazione a radicali liberi avviata dalla luce per modellare le parti. La stampa Digital Light Processing (DLP) fa questo “proiettando un’immagine UV 2D in un serbatoio di fotoresina mentre polimerizza l’intero strato strutturale 3D”. DLP è in grado di offrire velocità di stampa elevate, è stato dimostrato con una risoluzione inferiore al micron e ha applicazioni in una varietà di scenari commerciali, dalla produzione diretta di scarpe ai tamponi per test COVID-19. VP è utilizzato principalmente nei polimeri ed è stato anche dimostrato di essere utilizzato negli occhiali e nella ceramica .
Tuttavia, la selezione di materiali inorganici è ancora limitata a causa delle difficoltà di incorporare precursori appropriati nelle fotoresine come soluzioni, fanghi o miscele inorganiche-organiche. Pertanto, la fabbricazione dei metalli da parte di VP rimane una sfida. Oran et al hanno dimostrato l’AM dell’argento su scala nanometrica utilizzando un idrogel come “reattore di nanofabbricazione”, in cui l’attivazione a due fotoni guida l’infiltrazione di precursori per depositare materiali 3D in massa. Vyatskikh et al hanno dimostrato l’AM del nichel su scala nanometrica imprimendo una resina inorganica contenente acrilato di nichel seguito da pirolisi e riduzione di H2 mediante litografia a due fotoni.
Tuttavia, questi risultati pionieristici sono limitati alla gamma di materiali e richiedono una progettazione e un’ottimizzazione complesse della resina per ogni nuovo materiale. Altre tecniche di AM in metallo meno comunemente utilizzate come la scrittura diretta dell’inchiostro (DIW) e il material jetting (MJ) utilizzano rispettivamente l’estrusione dell’ugello e la deposizione controllata di adesivi per determinare la forma della parte. Questi metodi aggirano la sfida dell’utilizzo del calore per determinare la forma delle parti; i materiali in rame sono stati fabbricati tramite DIW e MJ, ma nessuna delle due tecniche ha prodotto parti in rame con dimensioni delle caratteristiche inferiori a 100 μm.
Max A. Saccone, Daryl W. Yee e Julia R. Greer, Caltech University, et al. Tecnologia di produzione additiva per produrre metalli e leghe con risoluzione su microscala mediante fotopolimerizzazione in vasca (VP), con strutture 3D. L’idrogel viene infuso nel precursore del metallo, seguito da sinterizzazione e riduzione, trasformando l’impalcatura di idrogel in una replica metallica in miniatura. I relativi risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature di fama internazionale con il titolo “Produzione additiva di metalli micro-architettati tramite infusione di idrogel”.
