Multimetall 4D-skrivare. Illustration av den billiga elektrokemiska multimetall 3D-skrivaren. (a) Framifrån. (b) Inställning av skrivhuvud. (c) Detaljerad vy som framhäver avsättningsmunstyckena och den avsatta bimetallremsan. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5
Fyrdimensionell (4-D) utskrift kan skapa komplexa 3-D geometrier som reagerar på miljöstimuli, öppnar nya designmöjligheter inom materialvetenskap. En stor majoritet av 4-D-utskriftsmetoder använder polymermaterial, som begränsar driftstemperaturen under konstruktionsprocessen. I en nyligen genomförd studie, Xiaolong Chen och medarbetare på Dyson School of Design and Engineering, Institutionen för geovetenskap och teknik och Institutionen för material vid Imperial College of London, STORBRITANNIEN., utvecklat en ny elektrokemisk 3-D-skrivare i flera metaller. Enheten kunde konstruera bimetalliska geometrier genom att selektivt deponera olika metaller med temperaturkänsligt beteende programmerat in i den tryckta strukturen. I studien, de demonstrerade en meniskbegränsad elektrokemisk 3D-utskriftsmetod med en design med flera skrivhuvuden och nickel- och kopparmaterial som exempel, förmågan kan överföras till andra deponeringslösningar. Resultaten är nu publicerade i Vetenskapliga rapporter .
Additiv tillverkning (AM), populärt känd som 3-D-utskrift, kan tillverka komplexa 3D-arkitekturer genom att sekventiellt sammanfoga material lager för lager. Flexibiliteten hos AM har nu hittat tillämpningar inom flyg- och rymdindustrin, bil, medicin- och energiindustrin. I början, AM-applikationer fokuserade på användningen av polymerer för att underlätta konsolidering, antingen via fotopolymerisation (stereolitografi) eller termiska processer (som fused deposition modellering:FDM). Dock, det ökade upptaget av metallbaserad AM har nu övergått tekniken från ett prototypverktyg till tekniska slutprodukter. De viktigaste teknologierna som används för praktiska tillämpningar inkluderar:
En majoritet av dessa metoder använde bara ett enda material, samtidigt som pågående forskningsansträngningar syftar till att utöka metoderna till att omfatta multimaterialkapacitet. En huvudsaklig nackdel med de tidigare metoderna för metallbaserad multimaterialteknik var den höga kapitalkostnaden för experimentet och de tillhörande säkerhetsriskerna med användningen av högeffektlasrar, metallpulver och värmebehandling vid hög temperatur.
Schematisk illustration av multimaterial 3D-utskriftsprocessen. (a) Den meniskbegränsade kopparavsättningsprocessen. (b) Den meniskbegränsade nickelavsättningsprocessen. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5.
Elektrokemisk tillsatstillverkning (ECAM) är en relativt ny teknik för metall AM som kan integrera lokaliserad elektrokemisk avsättning av metalljoner från elektrolytlösningar för att skapa metallstrukturer. ECAM är fördelaktigt eftersom det eliminerar termiska processer för att erbjuda ett säkrare system till en lägre kostnad, även om utmaningar kring deponeringshastigheten återstår att övervinna. En ny designmöjlighet inkluderade 4-D-utskrift för att skapa självmonterande och självreglerande strukturer som kan ändra form på grund av miljöstimuli som temperatur, luftfuktighet eller ljus. 4-D-strukturer tillverkas vanligtvis genom att syntetisera aktiva material med temperaturkänsliga egenskaper för att kontrollera de termiska gränsförhållandena och uppnå tillfälliga former.
Befintliga tillvägagångssätt för multimetall 3D-utskrift är termiskt baserade, där ett blåst pulver eller tråd matas in i en smältbassäng skapad av en laser i en inert miljö. Eftersom metaller har högre smälttemperaturer jämfört med polymerer, det är möjligt att skapa 4-D strukturer med högre driftstemperaturer och mekanisk styrka med metall. Dock, forskare har ännu inte utvecklat en billig metallskrivare för flera material. I detta arbete, Chen et al. presenterade ett nytt ECAM-baserat tillvägagångssätt för att skapa multimetallstrukturer med hög upplösning och låg kostnad. Som exempel på fördelarna med tillvägagångssättet, forskarna visade programmerade, mekaniska svar på termiska stimuli genom att konstruera koppar-nickel bimetallremsor.
Det nya arbetet följde på tidigare experiment utförda av samma forskargrupp. I den aktuella studien rapporterade de karaktäriseringstekniker för de tryckta koppar-nickel-bimetallremsorna, inklusive elektrisk ledningsförmåga och ytmorfologi med användning av standardtekniker för svepelektronmikroskopi (SEM) och röntgendatortomografi (XCT). Forskarna konverterade en kommersiell FDM 3-D-skrivare till en billig elektrokemisk multimetall 3-D-skrivare. Uppställningen innehöll två sprutor; vardera med kopparsulfatelektrolyt (blå) och nickelsulfatelektrolyt (grön). De förde sedan in två koppartrådar i kopparsulfatelektrolytsprutenheten; en som motelektrod och en annan som referens. Nickellösningssprutan hade liknande sammansättning, med nickelskum i stället för koppartrådar. Rörelserna i installationen var datorstyrda.
Optisk toppvy (infälld) och SEM-tvärsnittsmikrofotografier av tryckta koppar-nickel-bimetallremsor med en 3 timmars (5 V vs Cu) kopparavsättningstid och (a) 1 h, (b) 3 h och (c) 5 h (2 V vs Ni) nickelavsättningstid tillsammans med åtföljande EDS-analys. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5.
Under tillverkningen, Chen et al. fyllde en spruta med elektrolyt för avsättning, medan den andra förblev tom för att förhindra oönskad blandning av elektrolytlösningarna. I det första skedet, de avsatte ett kopparskikt från den vattenhaltiga kopparsulfatelektrolyten för att bilda en stabil elektrolytmenisk mellan munstycket och substratet. Forskarna använde sedan en potentiostat för att applicera en konstant potential och minska Cu 2+ joner i elektrolyten till metallisk koppar på substratet. I detta arbete, Chen et al. använde en elektrospunnen nanofiberspets för att underlätta processen. Efter avsättning av kopparskiktet, forskarna deponerade på samma sätt ett nickelskikt och fick SEM-bilder av materialen.
Forskarna observerade ett tydligt gränssnitt mellan nickel- och kopparytor, där båda metallskikten visade polykristallin eller nanokristallin morfologi. Ytorna innehöll också en konvex form på grund av högre reaktionsströmtäthet under munstycksbaserad avsättning. För att undersöka termomekaniska egenskaper hos de tryckta bimetallremsorna, de placerade proverna på en uppvärmd bädd med en komponent fixerad och den andra fri att röra sig. Chen et al. ökade sedan temperaturen från 50 0 C till 300 0 C och placerade en kamera ovanför proverna för att se graden av förskjutning. På grund av de olika värmeutvidgningskoefficienterna för koppar och nickel, forskarna observerade mekanisk deformation av materialen, genererar inre spänningar i metallskikten som är tätt bundna vid gränsytan. För att detektera deformationsvinkeln, de anpassade de förvärvade bilderna till en cirkel och härledde krökningsradien med hjälp av MATLAB-programvaran.
Termomekanisk respons av olika koppar (3 h, 5 V vs Cu)-nickel Ni (5 h, 2 V vs Ni) strukturer tillverkade genom en ECAM-metod med flera munstycken. (a) Deformation av en Cu-Ni bimetallremsa med vinkelrät uppvärmning. (b) Deformation av ett Cu-Ni-bimetallband med selektiv nickelavsättning i mitten av bandet och uppvärmning med bandet plant mot värmebädden. (c) Deformation av en Cu-Ni-Cu treskiktsremsa med Cu-Ni-Cu sandwichstrukturer i båda ändar av remsan. (d) Optiska bilder av prover programmerade att visa bokstäverna "ICL" vid rumstemperatur och 300°C "ICL". Skalstapeln är densamma för alla bilder med en längd på 2 mm. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5
Viktiga designvariabler som påverkade krökningsradien för bimetallremsorna inkluderar skikttjockleken, Youngs modul och den termiska expansionskoefficienten för de två skikten som härleds i studien. Forskarna mätte böjningsvinklarna för olika Cu-Ni-bimetallremsor vid olika temperaturer och karakteriserade proverna med XCT-rekonstruktioner, SEM-mikrografer och EDS-kartläggning vid materialgränssnittet. Chen et al. mätte den elektriska ledningsförmågan hos de bimetalliska remsorna och implementerade en enkel elektrisk krets som aktiveras av den tryckta bimetallremsan. De tryckta bimetalliska proverna kunde fungera i högtemperaturmiljöer som observerats med den enkla kretsen. När forskarna höjde temperaturen till 300 0 C, den böjda Cu-Ni bimetallremsan, stänger strömmen till lysdioden och visar dess förmåga att känna av miljön, öppnar nya möjligheter för smartare 3D-utskrivna strukturer.
(a) Uppmätta böjvinklar för olika Cu-Ni bimetallremsor vid olika temperaturer. (b) Teoretiska böjningsvinklar för Cu-Ni bimetallremsor med idealiserade geometrier. (c) XCT-rekonstruktioner av Cu(3 h)-Ni(1 h)- och Cu(3 h)-Ni(5 h)-prover med rekonstruerade tvärsnittsbilder. (d) SEM-mikrofotografi och EDS-kartläggning av Cu-Ni-Cu-gränssnittet. (e) Förskjutningsmätningar av treskiktsremsor med varierande gapbredd tillsammans med validerade FEA-simuleringar (finite element analysis). (f) Elektrisk konduktivitetsmätningar av bimetallremsorna. (g) Schematisk och foton av en enkel elektrisk krets som påverkas av den tryckta bimetallremsan. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5
På det här sättet, Chen et al. utvecklat en ny elektrokemisk 3D-skrivare för att konstruera temperaturkänsliga multimetaller (koppar och nickel), 4-D strukturer. De karakteriserade det tätt bundna gränssnittet av Cu-Ni och programmerade bindningsvinkeln för materialen vid exponering för temperatur. Som ett proof-of-concept, de konstruerade en enkel temperaturavkännande krets och designade termiska stimuli baserade strukturer av intresse. Fynden visade den första rapporterade, låg kostnad, multimetall 3-D-utskriftsmetod för att skapa högtemperatur 4-D strukturer. Forskningen kommer att öppna nya möjligheter att skapa intelligenta och komplexa, 4-D självmonterande/aktiverande metallarkitekturer och sensorer vid höga temperaturer med hjälp av billiga komponenter och flera material.
© 2019 Science X Network
