Vierdimensionaal (4D) printen kan complexe 3D-geometrieën creëren die reageren op omgevingsstimuli, het openen van nieuwe ontwerpmogelijkheden in de materiaalkunde. Een overgrote meerderheid van de 4-D-printbenaderingen maakt gebruik van polymeermaterialen, die de operationele temperatuur tijdens het engineeringproces beperken. In een recente studie, Xiaolong Chen en medewerkers van de Dyson School of Design and Engineering, Department of Earth Science and Engineering en Department of Materials aan het Imperial College of London, VK, ontwikkelde een nieuwe multi-metaal elektrochemische 3D-printer. Het apparaat was in staat om bimetalen geometrieën te construeren door selectief verschillende metalen met temperatuurgevoelig gedrag te deponeren dat in de gedrukte structuur is geprogrammeerd. In de studie, ze demonstreerden een meniscus-beperkte elektrochemische 3D-printbenadering met behulp van een ontwerp met meerdere printkoppen en nikkel- en kopermaterialen als voorbeelden, het vermogen kan worden overgedragen naar andere depositieoplossingen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Additieve fabricage (AM), in de volksmond bekend als 3D-printen, kan complexe 3D-architecturen fabriceren door materialen laag voor laag opeenvolgend met elkaar te verbinden. De flexibiliteit van AM heeft nu toepassingen gevonden in de lucht- en ruimtevaart, auto, medische en energie-industrie. Aanvankelijk, AM-toepassingen gericht op het gebruik van polymeren om consolidatie te vergemakkelijken, hetzij via fotopolymerisatie (stereolithografie) of thermische processen (zoals fused depositiemodellering:FDM). Echter, de toegenomen acceptatie van op metaal gebaseerde AM heeft de technologie nu overgezet van een prototyping-tool naar technische eindproducten. De belangrijkste technologieën die worden gebruikt voor praktische toepassingen zijn onder meer:

1. Direct-laser sinteren
2. Elektronenstraal smelten
3. Verminderde energiedepositie, en
4. FDM met behulp van een met metaal gevuld polymeerfilament.

Bij de meeste van deze methoden werd slechts één materiaal gebruikt, terwijl lopende onderzoeksinspanningen erop gericht zijn methoden uit te breiden met multi-materiële mogelijkheden. Een belangrijk nadeel van de eerdere methoden voor op metaal gebaseerde multi-materialen engineering waren de hoge kapitaalkosten van het experiment en de bijbehorende veiligheidsrisico's bij het gebruik van krachtige lasers, metaalpoeders en hittebehandeling op hoge temperatuur.

Elektrochemische additieve fabricage (ECAM) is een relatief nieuwe techniek van metaal AM die gelokaliseerde elektrochemische afzetting van metaalionen uit elektrolytoplossingen kan integreren om metaalstructuren te creëren. ECAM is voordelig omdat het thermische processen elimineert om een ​​veiliger systeem te bieden tegen lagere kosten, hoewel uitdagingen rond de depositiesnelheid nog moeten worden overwonnen. Een nieuwe ontwerpmogelijkheid omvatte 4D-printen om zelfassemblerende en zelfregulerende structuren te creëren die van vorm kunnen veranderen als gevolg van omgevingsstimuli zoals temperatuur, vochtigheid of licht. 4-D-structuren worden gewoonlijk vervaardigd door het synthetiseren van actieve materialen met temperatuurgevoelige eigenschappen om de thermische randvoorwaarden te beheersen en tijdelijke vormen te bereiken.

Bestaande multi-metal 3D-printbenaderingen zijn thermisch gebaseerd, waar een geblazen poeder of draad in een smeltbad wordt gevoerd dat door een laser in een inerte omgeving is gecreëerd. Aangezien metalen hogere smelttemperaturen hebben in vergelijking met polymeren, het is mogelijk om met metaal 4D-structuren te maken met hogere bedrijfstemperaturen en mechanische sterkte. Echter, onderzoekers moeten nog een goedkope metaalprinter voor meerdere materialen ontwikkelen. In het huidige werk, Chen et al. presenteerde een nieuwe op ECAM gebaseerde benadering om multi-metaalstructuren te creëren met een hoge resolutie en lage kosten. Als voorbeelden van de verdiensten van de aanpak, de wetenschappers toonden geprogrammeerd, mechanische reacties op thermische stimuli door koper-nikkel bimetalen strips te construeren.

Het nieuwe werk volgde op eerdere experimenten die door hetzelfde onderzoeksteam werden uitgevoerd. In de huidige studie rapporteerden ze karakteriseringstechnieken van de bedrukte koper-nikkel bimetalen strips, inclusief elektrische geleidbaarheid en oppervlaktemorfologie met behulp van standaardtechnieken van scanning elektronenmicroscopie (SEM) en röntgencomputertomografie (XCT). De wetenschappers hebben een commerciële FDM 3D-printer omgebouwd tot een goedkope elektrochemische multimetalen 3D-printer. De opstelling bevatte twee spuiten; elk met kopersulfaatelektrolyt (blauw) en de nikkelsulfaatelektrolyt (groen). Vervolgens staken ze twee koperdraden in de kopersulfaat-elektrolytspuit; een als tegenelektrode en een andere als referentie. De spuit met nikkeloplossing was qua samenstelling vergelijkbaar, met nikkelschuim in plaats van koperdraden. De bewegingen van de opstelling waren computergestuurd.

Tijdens de fabricage, Chen et al. vulde een spuit met elektrolyt voor afzetting, terwijl de andere leeg bleef om ongewenste vermenging van de elektrolytoplossingen te voorkomen. In de eerste fase, ze zetten een koperlaag af van de waterige kopersulfaatelektrolyt om een ​​stabiele elektrolytmeniscus te vormen tussen het mondstuk en het substraat. De wetenschappers gebruikten vervolgens een potentiostaat om een ​​constant potentieel toe te passen en Cu . te verminderen ²⁺ ionen in de elektrolyt tot metallisch koper op het substraat. In het huidige werk, Chen et al. gebruikte een elektrospun nanofiber penpunt om het proces te vergemakkelijken. Na het afzetten van de koperlaag, de wetenschappers legden op dezelfde manier een nikkellaag af en verkregen SEM-afbeeldingen van de materialen.

De wetenschappers observeerden een duidelijk grensvlak tussen de nikkel- en koperoppervlakken, waar beide metaallagen polykristallijne of nanokristallijne morfologie vertoonden. De oppervlakken bevatten ook een convexe vorm als gevolg van een hogere reactiestroomdichtheid tijdens depositie op basis van een mondstuk. Om de thermomechanische eigenschappen van de bedrukte bimetalen strips te onderzoeken, ze plaatsten de monsters op een verwarmd bed met één component vast en de andere vrij om te bewegen. Chen et al. verhoogde vervolgens de temperatuur van 50 ⁰ C tot 300 ⁰ C en plaatste een camera boven de monsters om de mate van verplaatsing te bekijken. Vanwege de diverse thermische uitzettingscoëfficiënten van koper en nikkel, de wetenschappers observeerden mechanische vervorming van de materialen, het genereren van interne spanningen in de metalen lagen die stevig zijn gebonden aan het grensvlak. Om de vervormingshoek te detecteren, ze pasten de verkregen afbeeldingen in een cirkel en leidden de kromtestraal af met behulp van MATLAB-software.

De belangrijkste ontwerpvariabelen die de kromtestraal van de bimetalen strips beïnvloedden, waren de laagdikte, Young's modulus en de thermische uitzettingscoëfficiënt van de twee lagen zoals afgeleid in de studie. De wetenschappers maten de buighoeken voor verschillende Cu-Ni bimetalen stripsamenstellingen bij verschillende temperaturen en karakteriseerden de monsters met XCT-reconstructies, SEM-microfoto's en EDS-mapping op de materiële interface. Chen et al. de elektrische geleidbaarheid van de bimetaalstrips gemeten en een eenvoudig elektrisch circuit geïmplementeerd dat werd aangedreven door de bedrukte bimetalen strip. De afgedrukte bimetaalmonsters zouden kunnen functioneren in omgevingen met hoge temperaturen, zoals waargenomen met het eenvoudige circuit. Toen de wetenschappers de temperatuur verhoogden tot 300 ⁰ C, de Cu-Ni bimetaal strip gebogen, sluit de stroom naar de LED en toont zijn vermogen om de omgeving te voelen, nieuwe mogelijkheden openen voor slimmere 3D-geprinte structuren.

Op deze manier, Chen et al. een nieuwe elektrochemische 3D-printer ontwikkeld om multi-metalen (koper en nikkel) temperatuurgevoelig te maken, 4-D structuren. Ze karakteriseerden het nauw gebonden grensvlak van Cu-Ni en programmeerden de bindingshoek van de materialen bij blootstelling aan temperatuur. Als proof-of-concept, ze construeerden een eenvoudig temperatuurdetectiecircuit en ontwierpen op thermische stimuli gebaseerde structuren van belang. De bevindingen toonden aan dat de eerste gerapporteerde, goedkoop, multi-metalen 3D-printbenadering om 4D-structuren op hoge temperatuur te creëren. Het onderzoek opent nieuwe mogelijkheden om intelligente en complexe, 4-D zelfassemblerende/aansturende metalen architecturen en sensoren bij hoge temperaturen met behulp van goedkope componenten en meerdere materialen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk