مهندسان در Caltech روشی را برای پرینت سه بعدی فلزات خالص و چند جزئی، با وضوحی که در برخی موارد، مرتبه‌ای کوچک‌تر از آنچه قبلاً ممکن بود، توسعه داده‌اند. این فرآیند که از شیمی مبتنی بر آب و پرینت سه بعدی استفاده می کند، در مقاله ای با عنوان “ساخت افزودنی فلزات ریزمعماری از طریق تزریق هیدروژل“، که در مجله Nature منتشر شده است. این تحقیق توسط وزارت انرژی ایالات متحده، موسسه پایداری Resnick، بنیاد Masason و ابتکار AI4Science Caltech تأمین مالی شد.
فرآیند جدید را می توان برای انواع فلزات – حتی چندین نوع در یک قطعه تولید شده – تنها با تنظیمات جزئی استفاده کرد. این پتانسیل را دارد که راه را برای ساخت اجزای کوچک برای سیستم‌های مکانیکی میکروالکترونیک (MEMS) هموار کند – اجزای دقیق برای وسایل نقلیه و کاربردهای فضایی، مبدل‌های حرارتی یا دستگاه‌های زیست پزشکی.
مشکل، هنگام پرینت سه بعدی با فلزات، به ویژه آنهایی که رسانایی حرارتی بالایی دارند مانند مس، این است که فلزات گرما را به خوبی منتقل می کنند به طوری که حتی با لیزر با فوکوس دقیق، گرما پخش می شود و پودر را در خارج از ناحیه مورد نظر ذوب می کند – که احتمال را کاهش می دهد. وضوح چاپ
تیمی به رهبری دانشجویان فارغ التحصیل آن زمان، مکس ساکون، که اکنون یک محقق فوق دکتری در دانشگاه استنفورد است. ربکا گالیوان، اکنون محقق فوق دکتری در ETH زوریخ. داریل یی، استادیار جدید در EPFL، سوئیس؛ و کای ناریتا، که در آزمایشگاه جولیا آر. گریر از Caltech کار می‌کردند، رویکرد متفاوتی برای این مشکل ایجاد کردند: به جای چاپ مستقیم فلزات، آنها یک هیدروژل را به‌صورت سه بعدی چاپ می‌کنند و از آن به عنوان داربست برای پیش‌سازهای مایع حاوی فلز استفاده می‌کنند. کای ناریتا یک شرکت نوپا به نام 3D Architech راه اندازی کرده است که مجوز فناوری جدید را از Caltech می دهد.
مکس ساکون گفت: «ما باید روش جدیدی برای انجام آن ایجاد می‌کردیم و نمی‌توانستیم برای ساختن سازه‌های خود به گرما تکیه کنیم.
هیدروژل ها موادی هستند که از زنجیره های پلیمری انعطاف پذیر ساخته می شوند که در آب حل نمی شوند و برای محصولاتی مانند لنزهای تماسی نرم استفاده می شوند. نور یک لامپ فرابنفش کم توان می تواند یک واکنش شیمیایی در پلیمرهای مایع ایجاد کند و با ایجاد اتصال عرضی زنجیره های پلیمری باعث سخت شدن آنها شود. اگر این فرآیند را بارها و بارها در یک الگوی خاص تکرار کنید، می توانید اشکال میکروسکوپی دلخواه را ایجاد کنید.
محققان Caltech سپس داربست های هیدروژل چاپ سه بعدی را با نمک های فلزی حل شده در آب تزریق می کنند و باعث می شوند یون های فلزی به هیدروژل نفوذ کنند – نه فقط سطح آن را بپوشانند. سپس، در بخش “واکنش” فرآیند، محققان بخش هیدروژل ساختار را در کوره ای می سوزانند که بسته به ماده به دمای 700 تا 1100 درجه سانتیگراد می رسد. از آنجایی که نقطه ذوب تمام فلزات بالاتر از دمای احتراق هیدروژل است، فلز دست نخورده باقی می ماند.
گرما نه تنها هیدروژل را حذف می کند، بلکه باعث می شود که ساختار کلی با سوختن هیدروژل منقبض شود و در نتیجه ساختار فلزی حتی ریزتر ایجاد شود. با این فرآیند، علاوه بر فلزات خالص، این تیم می‌تواند آلیاژهای فلزی و سیستم‌های فلزی چند جزئی را با اندازه‌های ویژگی حدود ۴۰ میکرون یا کمتر از نصف عرض یک موی انسان پرینت سه‌بعدی کند.
ربکا گالیوان می‌گوید: «یکی از چیزهای هیجان‌انگیز این است که با انواع فلزات فقط با تنظیم جزئی مرحله «واکنش» فرآیند کار می‌کند و فرصت‌های جدیدی برای مهندسی مواد در مقیاس کوچک ایجاد می‌کند. در حین توسعه این فرآیند، تیم سازه های پرینت سه بعدی ساخته شده از مس، نیکل، نقره و آلیاژهای فلزی مختلف تولید کرد.
جولیا آر. گریر، روبن اف و می‌گوید: «فرآیند تولید افزودنی تزریق هیدروژل یا HIAM، همانطور که ما آن را ابداع کردیم، مسیری را برای ایجاد مواد فلزی به روشی کاملاً جدید و سازگار با محیط‌زیست در سطوح دقت بی‌سابقه ایجاد می‌کند. Donna Mettler استاد علوم مواد، مکانیک و مهندسی پزشکی. مدیر بنیاد فلچر جونز، مؤسسه علوم نانو کاولی؛ و پیشگام در زمینه مواد معماری در مقیاس نانو و مقیاس میکرو.