全球增材制造产业四大“里程碑”(3)
金属3D打印再获突破可溶性支撑成为现实
尽管在当下的3D打印领域，金属3D打印技术是一大热点。但是这一技术仍有诸多问题有待解决，其中之一就是其金属制成结构的去除非常麻烦，需要通过大量的机械加工（这可能损害部件）才能去除。不过，如今这一问题出现了有望解决的曙光。日前，研究人员们刚刚完成了一个可溶性碳钢结构的概念证明，这一结构是用来支撑3D打印不锈钢部件的。据悉，这是第一种可溶性金属支撑解决方案，在这个方案中，碳钢可以通过一种基于硝酸和氧气泡的电化学刻蚀技术去除掉——而且不会影响不锈钢。
这一显著的突破，被发表在了一篇名为《3D直接金属打印的可溶性金属支撑（DissolvableMetalSupportsfor3DDirectMetalPrinting）》的论文里，研究人员在论文中展示了一个带90度伸出结构的3D打印金属对象。作者们认为，这一突破将为重要的金属3D打印创新铺平道路。尤其是，他们认为该技术将大大减少后处理需要的工作量，从而提高金属3D技术创建非常复杂结构的能力。研究人员们称，真正的突破在于那些伸出的表面，这些地方需要支撑结构以尽量减少热变形。不幸的是，支撑结构都需要大量的机加工后处理来去除。在解决这一问题的时候，科学家们想到了一种常见的工艺——牺牲阳极。牺牲阳极通常用于保护重要部件不被电偶腐蚀，简单地说就是利用原电池的原理，消耗阳极（原电池的负极）的金属来保护阴极（原电池的正极）金属。
为此，科学家们设想通过类似的原理将更防化学腐蚀的结构材料（不锈钢、AISI-431）与具有较低耐化学性的牺牲金属Metco91碳钢结合起来，前者作为3D打印的主要材料，后者作为支撑材料，然后用硝酸溶液以牺牲阳极的办法去除支撑。“不锈钢具有优异的耐硝酸性，而碳钢迅速能够被硝酸化学溶解。”他们说。为了说明这个过程，他们使用一台带两个送粉器的OptomecLENSMR-73D打印机打印了一个用于概念验证的桥形对象，该机器使用的是一种直接能量沉积（DED）3D打印技术。
具体来说，他们3D印的钢对象，其中间的三分之一是由碳钢组成的，其它三面则由不锈钢组成（包括顶部）。3D打印后，该部件通过一种电化学蚀刻的方式被暴露在硝酸溶液中——最初没有氧气。但是，在实际操作中他们发现，刻蚀速度太慢，他们花了10个小时，碳钢的每一端才去除了1.4毫米。为此他们使用了氧气以加速这一过程，并且取得了显著的成果。“碳钢剩下的7毫米在6个小时内就被去除了。”研究人员们称。
就是这样一个小小的变动，使得可溶性支撑结构突然变得可行。“这种独一无二的方法为DED3D打印技术引入了一些新功能，显著减少了这一类型的3D打印金属部件所需要的后处理工作。”研发人员们称：“这些牺牲材料材料将使得DED和其他金属沉积系统能够借助可溶性的支撑来3D打印具有任意伸出结构的复杂形状。”事实上，他们相信，使用特定的化学溶液，这同样的原则可以适用于更广泛的金属和甚至氧化物。但是这种方法有几个必须满足的条件。“具体来说，牺牲阳极必须与零件材料具有冶金兼容性——它们必须有类似的晶体结构、类似的热导率，相似的热膨胀系数，并且应避免形成有害的金属间化合物。这种兼容性可以保证牺牲阳极和组件之间的接口具有足够的机械强度以应对金属3D打印过程中的极端热循环所引起的应力。”他们说。此外，还必须确定一种腐蚀性电解质，与部件材料相比，这种电解质能够以相当高的选择性（>100：1）来溶解牺牲阳极。”
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