據悉，日(ri)本早稻田大學(xue)的(de)科學(xue)家(jia)2020年8月24日(ri)發(fa)表在《AdditiveManufacturing》上的(de)一項研(yan)究(jiu)中，開發(fa)了(le)一種新的(de)混合(he)技(ji)術，該技(ji)術可(ke)以(yi)生產由(you)金(jin)屬和(he)塑料(liao)制(zhi)成(cheng)的(de)3D物(wu)體。這項研(yan)究(jiu)的(de)負責(ze)人ShinjiroUmezu教授解釋了(le)他(ta)們(men)的(de)動(dong)機(ji)(ji)：“盡管3D打(da)印機(ji)(ji)讓我們(men)用金(jin)屬和(he)塑料(liao)創建(jian)3D結(jie)構，但我們(men)周圍看到的(de)大多(duo)數(shu)物(wu)體都是包括電子設備在內的(de)兩者的(de)組合(he)。因此，他(ta)們(men)認為，如(ru)果(guo)設法使用傳統的(de)D打(da)印機(ji)(ji)創建(jian)由(you)金(jin)屬和(he)塑料(liao)制(zhi)成(cheng)的(de)3D對象，將能夠擴展它們(men)的(de)應用。”

　　先進的(de)(de)增材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)造技術，也稱為3D打印(yin)和(he)快速原(yuan)型制(zhi)(zhi)作，已經使(shi)3D結構的(de)(de)制(zhi)(zhi)造具有(you)幾何和(he)材(cai)(cai)料復雜性。增材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)造技術的(de)(de)基本原(yuan)理是在(zai)(zai)(zai)計算機控制(zhi)(zhi)下結合(he)原(yuan)材(cai)(cai)料以構建3D對象。用(yong)于(yu)增材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)造的(de)(de)常規方法涉及熔化原(yuan)材(cai)(cai)料并將它們(men)局部逐(zhu)層(ceng)粘貼在(zai)(zai)(zai)定義的(de)(de)位(wei)置，以使(shi)液體(ti)層(ceng)融合(he)在(zai)(zai)(zai)一起，在(zai)(zai)(zai)固化后形(xing)成(cheng)3D對象。

　　增材(cai)制造(zao)的(de)(de)原材(cai)料(liao)(liao)主要(yao)是塑料(liao)(liao)和金(jin)(jin)(jin)屬。但是，這(zhe)些(xie)材(cai)料(liao)(liao)不能組(zu)合使用。通(tong)常，由于金(jin)(jin)(jin)屬3D打(da)(da)(da)印(yin)(yin)機需(xu)要(yao)高溫，因此無法將塑料(liao)(liao)3D打(da)(da)(da)印(yin)(yin)機與金(jin)(jin)(jin)屬3D打(da)(da)(da)印(yin)(yin)機結合使用，例(li)如在(zai)3D打(da)(da)(da)印(yin)(yin)的(de)(de)塑料(liao)(liao)結構上打(da)(da)(da)印(yin)(yin)金(jin)(jin)(jin)屬。但是，在(zai)特定(ding)區域或整個(ge)3D打(da)(da)(da)印(yin)(yin)塑料(liao)(liao)零件上，目前市場對有(you)光(guang)澤的(de)(de)外觀或導電(dian)層有(you)強烈的(de)(de)需(xu)求。因此，應(ying)研究將3D打(da)(da)(da)印(yin)(yin)塑料(liao)(liao)的(de)(de)選定(ding)區域金(jin)(jin)(jin)屬化(hua)的(de)(de)可行(xing)性(xing)。

　　塑料(liao)常規金屬(shu)(shu)化方(fang)法(fa)(fa)，一(yi)般分為(wei)干法(fa)(fa)和濕(shi)法(fa)(fa)兩大類。干法(fa)(fa)和真(zhen)空金屬(shu)(shu)化工(gong)藝(例如濺(jian)射和蒸發)不適(shi)合(he)此(ci)任務。復(fu)雜的(de)3D打(da)(da)印結構由于階梯覆(fu)蓋(gai)差而無法(fa)(fa)使用(yong)這(zhe)些技術完全(quan)金屬(shu)(shu)化。涉及將工(gong)件浸入金屬(shu)(shu)溶液中(zhong)的(de)濕(shi)法(fa)(fa)和固溶工(gong)藝對于涂覆(fu)復(fu)雜的(de)3D工(gong)件是優選的(de)。在(zai)電(dian)鍍(du)(du)(du)(一(yi)種(zhong)(zhong)常用(yong)的(de)常規濕(shi)法(fa)(fa)工(gong)藝)中(zhong)，將工(gong)件浸入金屬(shu)(shu)離(li)子(zi)溶液中(zhong)，并(bing)施(shi)加電(dian)流(liu)以將金屬(shu)(shu)離(li)子(zi)還原(yuan)為(wei)母體金屬(shu)(shu)，從而導(dao)致金屬(shu)(shu)沉積在(zai)工(gong)件表(biao)面(mian)(mian)上(shang)。但(dan)是，對于電(dian)鍍(du)(du)(du)，要在(zai)其上(shang)沉積金屬(shu)(shu)的(de)表(biao)面(mian)(mian)必須具有導(dao)電(dian)性(xing)，電(dian)流(liu)才能流(liu)動。因此(ci)，電(dian)鍍(du)(du)(du)不適(shi)用(yong)于3D打(da)(da)印的(de)塑料(liao)工(gong)件的(de)金屬(shu)(shu)化。化學鍍(du)(du)(du)是一(yi)種(zhong)(zhong)不需要電(dian)流(liu)的(de)濕(shi)法(fa)(fa)金屬(shu)(shu)化技術。因此(ci)，這(zhe)是在(zai)3D打(da)(da)印的(de)塑料(liao)表(biao)面(mian)(mian)上(shang)涂覆(fu)金屬(shu)(shu)的(de)最合(he)適(shi)方(fang)法(fa)(fa)。本文提出(chu)了一(yi)種(zhong)(zhong)實現區(qu)域選擇性(xing)金屬(shu)(shu)鍍(du)(du)(du)層的(de)化學鍍(du)(du)(du)方(fang)法(fa)(fa)。

　　下圖描(miao)述的(de)(de)是用(yong)于3D打印的(de)(de)塑料(liao)結構金(jin)(jin)屬(shu)(shu)化(hua)(hua)的(de)(de)常(chang)規(gui)方法和本(ben)文(wen)創(chuang)新(xin)方法的(de)(de)概述。常(chang)規(gui)技(ji)術化(hua)(hua)學鍍的(de)(de)溶液(ye)包含(han)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)離子(zi)以及還原(yuan)劑(ji)(ji)，還原(yuan)劑(ji)(ji)是用(yong)于將金(jin)(jin)屬(shu)(shu)離子(zi)還原(yuan)成母體金(jin)(jin)屬(shu)(shu)的(de)(de)電子(zi)源(yuan)。在化(hua)(hua)學鍍期(qi)間，由還原(yuan)劑(ji)(ji)的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)釋放的(de)(de)電子(zi)被轉移到金(jin)(jin)屬(shu)(shu)離子(zi)，從而將它們還原(yuan)為(wei)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)。為(wei)了觸發還原(yuan)劑(ji)(ji)的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)，將Pd用(yong)作化(hua)(hua)學鍍催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)(ji)。因此，在化(hua)(hua)學鍍之前，將工(gong)件浸入催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)(ji)溶液(ye)中(圖1A)。通常(chang)，使(shi)(shi)用(yong)鈀離子(zi)溶液(ye)(通常(chang)使(shi)(shi)用(yong)氯化(hua)(hua)鈀,PdCl2)和還原(yuan)劑(ji)(ji)溶液(ye)(通常(chang)使(shi)(shi)用(yong)氯化(hua)(hua)錫(xi),SnCl2)將Pd納(na)米顆粒或膠體沉(chen)積在浸沒的(de)(de)工(gong)件上。與(yu)常(chang)規(gui)技(ji)術不同，本(ben)研究的(de)(de)雙(shuang)噴嘴方法僅(jin)在所需區(qu)域中生成具有均勻(yun)且牢固粘附的(de)(de)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)涂層的(de)(de)3D對象。

　　需(xu)要(yao)濕(shi)法(fa)預處理以催(cui)化(hua)(hua)工(gong)(gong)(gong)件(jian)的(de)(de)表面(mian)。Pd膠體沉積(ji)在(zai)表面(mian)上(shang)。然后，將(jiang)Pd催(cui)化(hua)(hua)的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)件(jian)浸(jin)入(ru)(ru)無電沉積(ji)浴中(zhong)(zhong)，以在(zai)表面(mian)覆(fu)(fu)蓋目(mu)標金(jin)(jin)屬(本研(yan)究中(zhong)(zhong)為(wei)Ni)。Pd催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)引起化(hua)(hua)學沉積(ji)。但是，由于3D打印(yin)機(ji)中(zhong)(zhong)使用的(de)(de)塑(su)料(本研(yan)究中(zhong)(zhong)的(de)(de)ABS)主要(yao)是疏水(shui)性的(de)(de)，因(yin)此沉積(ji)的(de)(de)金(jin)(jin)屬與表面(mian)之(zhi)間(jian)沒(mei)有很強的(de)(de)粘附力，因(yin)此涂層不均勻。B:提議的(de)(de)在(zai)3D打印(yin)的(de)(de)塑(su)料結構(gou)(gou)的(de)(de)選定區域上(shang)沉積(ji)金(jin)(jin)屬的(de)(de)方法(fa)。除了(le)純(chun)塑(su)料ABS燈(deng)絲外，還制備了(le)有PdCl2的(de)(de)ABS燈(deng)絲。在(zai)3D打印(yin)中(zhong)(zhong)，使用純(chun)ABS燈(deng)絲制造工(gong)(gong)(gong)件(jian)的(de)(de)基本結構(gou)(gou)，并使用有PdCl2的(de)(de)ABS燈(deng)絲涂覆(fu)(fu)選定的(de)(de)目(mu)標區域(圖中(zhong)(zhong)的(de)(de)黃色(se)部分)。由于工(gong)(gong)(gong)件(jian)在(zai)選定區域中(zhong)(zhong)被(bei)Pd催(cui)化(hua)(hua)，因(yin)此可以將(jiang)其(qi)直(zhi)接(jie)浸(jin)入(ru)(ru)化(hua)(hua)學鍍浴中(zhong)(zhong)(即跳過A中(zhong)(zhong)的(de)(de)催(cui)化(hua)(hua)步驟(zou))

　　丙烯(xi)腈-丁二烯(xi)-苯(ben)乙(yi)烯(xi)共聚物(ABS)3D打(da)印最(zui)常用(yong)的(de)(de)塑料(liao)之一(yi)。在(zai)新的(de)(de)混合方法中(zhong)，使用(yong)了具有雙噴嘴(zui)的(de)(de)打(da)印機。一(yi)個噴嘴(zui)擠(ji)出標準熔(rong)融塑料(liao)(ABS)，而另一(yi)個噴嘴(zui)擠(ji)出裝有PdCl2的(de)(de)ABS。通過使用(yong)一(yi)個噴嘴(zui)或(huo)另一(yi)個噴嘴(zui)選擇性地打(da)印圖層，可以(yi)在(zai)3D對象(xiang)的(de)(de)特定(ding)(ding)區域中(zhong)加載(zai)Pd。然(ran)后，通過化學鍍(du)，最(zui)終獲得一(yi)種僅在(zai)選定(ding)(ding)區域上具有金屬涂(tu)層的(de)(de)塑料(liao)結構(gou)。

　　(A)圖1A中所示的(de)常規方法：浸(jin)入Pd離子溶液中(兩(liang)步PdCl2/SnCl2催(cui)化(hua)(hua)(hua))。雙(shuang)向(xiang)箭頭指示浸(jin)入深度。(B)區(qu)域(yu)選(xuan)擇性催(cui)化(hua)(hua)(hua)：將(jiang)ABS和(he)PdCl2混合丙(bing)酮(tong)溶液通過噴嘴在空氣壓(ya)力(li)下粘(zhan)貼(tie)。(C)區(qu)域(yu)選(xuan)擇性催(cui)化(hua)(hua)(hua)：使(shi)用載有(you)PdCl2的(de)ABS燈絲通過FFF3D打印(yin)機粘(zhan)貼(tie)載有(you)PdCl2的(de)ABS。左邊的(de)圖像(xiang)(xiang)是(shi)3D打印(yin)后(hou)進行(xing)催(cui)化(hua)(hua)(hua)處理的(de)圖像(xiang)(xiang)，右邊的(de)圖像(xiang)(xiang)是(shi)無電沉積之(zhi)后(hou)的(de)圖像(xiang)(xiang)。

　　科學家發現，使用(yong)他們的(de)方法(fa)時，金屬涂層的(de)附(fu)著力更高。此外，由(you)于(yu)Pd負載(zai)在原料(liao)中，因此與(yu)常規方法(fa)不(bu)同，其(qi)技(ji)術不(bu)需要對ABS結構進(jin)行任何類型的(de)粗糙化(hua)或蝕(shi)刻以促進(jin)催化(hua)劑的(de)沉積。當考慮到這(zhe)些額外的(de)步驟不(bu)僅會(hui)由(you)于(yu)使用(yong)諸如鉻(ge)酸之類的(de)有毒化(hua)學物質而對3D對象(xiang)本身造(zao)成損(sun)害，還會(hui)對環境造(zao)成損(sun)害時，這(zhe)一點尤其(qi)重(zhong)要。最后，他們的(de)方法(fa)與(yu)現有的(de)熔絲(si)制造(zao)3D打(da)印(yin)機完全兼容(rong)。

　　Umezu認為，考慮到其在3D電子(zi)產品中的(de)潛在用途，金(jin)屬(shu)塑料混合3D打(da)印(yin)在不(bu)久的(de)將(jiang)來(lai)可(ke)能會變得(de)非常(chang)重(zhong)要，這(zhe)是(shi)即(ji)將(jiang)到來(lai)的(de)物聯網和人工智能應用程序(xu)的(de)重(zhong)點。在這(zhe)方(fang)面，他補充說(shuo)：“我們的(de)混合3D打(da)印(yin)方(fang)法開(kai)辟了制造3D電子(zi)產品的(de)可(ke)能性，從而使醫療保健和護理中使用的(de)設備和機器(qi)(qi)人變得(de)比我們今天擁(yong)有的(de)設備和機器(qi)(qi)人更(geng)好(hao)。”

　　這(zhe)項研究有望(wang)為混合3D打印技術(shu)鋪(pu)平道路，這(zhe)將使(shi)我們能(neng)夠充分(fen)利用金屬(shu)和塑料的雙重優(you)勢。

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