盡管在當下的3D打印領域，金屬3D打印技術是一大熱點。但是這一技術仍有諸多問題有待解決，其中之一就是其金屬制成結(jié)構的去除非常麻煩，需要通過大量的機械加工（這可能損害部件）才能去除。不過，如今這一問題出現(xiàn)了有望解決的曙光。日前，研究人員們剛剛完成了一個可溶性碳鋼結(jié)構的概念證明，這一結(jié)構是用來支撐3D打印不銹鋼部件的。據(jù)悉，這是第一種可溶性金屬支撐解決方案，在這個方案中，碳鋼可以通過一種基于硝酸和氧氣泡的電化學刻蝕技術去除掉——而且不會影響不銹鋼。
這一顯著的突破，被發(fā)表在了一篇名為《3D直接金屬打印的可溶性金屬支撐（Dissolvable Metal Supports for 3D Direct Metal Printing）》的論文里，研究人員在論文中展示了一個帶90度伸出結(jié)構的3D打印金屬對象。作者們認為，這一突破將為重要的金屬3D打印創(chuàng)新鋪平道路。尤其是，他們認為該技術將大大減少后處理需要的工作量，從而提高金屬3D技術創(chuàng)建非常復雜結(jié)構的能力。
研究人員們稱，真正的突破在于那些伸出的表面，這些地方需要支撐結(jié)構以盡量減少熱變形。不幸的是，支撐結(jié)構都需要大量的機加工后處理來去除。在解決這一問題的時候，科學家們想到了一種常見的工藝——犧牲陽極。犧牲陽極通常用于保護重要部件不被電偶腐蝕，簡單地說就是利用原電池的原理，消耗陽極（原電池的負極）的金屬來保護陰極（原電池的正極）金屬。
為此，科學家們設想通過類似的原理將更防化學腐蝕的結(jié)構材料（不銹鋼、AISI-431）與具有較低耐化學性的犧牲金屬Metco 91碳鋼結(jié)合起來，前者作為3D打印的主要材料，后者作為支撐材料，然后用硝酸溶液以犧牲陽極的辦法去除支撐。“不銹鋼具有優(yōu)異的耐硝酸性，而碳鋼迅速能夠被硝酸化學溶解。”他們說。
為了說明這個過程，他們使用一臺帶兩個送粉器的Optomec LENS MR-7 3D打印機打印了一個用于概念驗證的橋形對象，該機器使用的是一種直接能量沉積（DED）3D打印技術。
具體來說，他們3D印的鋼對象，其中間的三分之一是由碳鋼組成的，其它三面則由不銹鋼組成（包括頂部）。3D打印后，該部件通過一種電化學蝕刻的方式被暴露在硝酸溶液中——最初沒有氧氣。但是，在實際操作中他們發(fā)現(xiàn)，刻蝕速度太慢，他們花了10個小時，碳鋼的每一端才去除了1.4毫米。為此他們使用了氧氣以加速這一過程，并且取得了顯著的成果（見下圖）。“碳鋼剩下的7毫米在6個小時內(nèi)就被去除了。”研究人員們稱。
就是這樣一個小小的變動，使得可溶性支撐結(jié)構突然變得可行。“這種獨一無二的方法為DED 3D打印技術引入了一些新功能，顯著減少了這一類型的3D打印金屬部件所需要的后處理工作。”研發(fā)人員們稱：“這些犧牲材料材料將使得DED和其他金屬沉積系統(tǒng)能夠借助可溶性的支撐來3D打印具有任意伸出結(jié)構的復雜形狀。”
事實上，他們相信，使用特定的化學溶液，這同樣的原則可以適用于更廣泛的金屬和甚至氧化物。但是這種方法有幾個必須滿足的條件。“具體來說，犧牲陽極必須與零件材料具有冶金兼容性——它們必須有類似的晶體結(jié)構、類似的熱導率，相似的熱膨脹系數(shù)，并且應避免形成有害的金屬間化合物。這種兼容性可以保證犧牲陽極和組件之間的接口具有足夠的機械強度以應對金屬3D打印過程中的極端熱循環(huán)所引起的應力。”他們說。“此外，還必須確定一種腐蝕性電解質(zhì)，與部件材料相比，這種電解質(zhì)能夠以相當高的選擇性（> 100：
1）來溶解犧牲陽極。”
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