新型3D打印技术可制造超强材料，承压能力是普通材料的20倍

3D打印技术参考注意到，多所高校正在研究一种突破性的3D打印新方法，它使用水凝胶作为模板，能够生产超高密度、耐用的金属和陶瓷，能够制造同时具备强度高、重量轻和结构复杂的高级三维结构。

洛桑联邦理工学院基于该技术制造的铁质螺旋体（1.3x 1.0厘米）

基本的原理和步骤是，首先使用光固化3D打印出水凝胶支架；经处理后浸泡在金属盐溶液中，这个过程中金属盐离子会因浓度差或者是静电作用而扩散到水凝胶内部；最后饱含金属离子的支架会经冷冻干燥、煅烧、还原之后，制备出最终的金属。

洛桑联邦理工学院基于该技术制造的银、铁及铜

与激光3D打印的差异

这个过程看着比激光粉末床3D打印复杂多了，但为什么科研界还这么感兴趣？因为它能够制造成熟的LPBF工艺打印不出来的结构，特别是具有微米级结构特征的复杂三维晶格或微架构材料，这些结构在传感器、医学设备或能量转换和存储设备等领域有特殊应用需求。

此外，它还避免了激光3D打印的一些常见缺陷，如热应力、裂纹和孔隙。水凝胶灌注方法完全避免了高温熔融过程，从原理上规避了这些问题。

基于激光的粉末床熔融3D打印

与其他间接、基于烧结的

金属3D打印的差异

这项技术虽然是间接的基于烧结的金属3D打印，但相比HP的粘结剂喷射和最近比较受到关注的冷金属融合还不一样，它的过程要复杂的多。HP等的技术还是来制造宏观尺度的金属零件，而水凝胶灌注更关注极高精度、复杂结构和微尺度制造。

另外还有一种是采用光固化打印混合了金属粉末的光敏树脂，这一类型被认为是树脂的粘度会很高，而且金属颗粒会导致光散射。

基于光固化的金属3D打印

存在的问题与解决办法

但这项技术本身也并非成熟，收缩率高、易变形、多孔，就是不得不面对的问题。针对这些，3D打印技术参考注意到，洛桑联邦理工学院的研究人员给出了解决方案。

他们将浸泡过金属盐离子溶液3D打印的水凝胶支架转移到第二溶液中进行化学反应，使上一步的盐离子转化为不溶性的金属纳米颗粒，并被锚定在网络骨架上；然后反复进行上两步的溶液浸泡和化学反应，来不断提高金属的含量。

a.陶瓷与金属的水凝胶灌注与沉淀工艺示意图

b.基于该工艺制造的金属氧化物和金属

在经过5-10个这样的“生长循环”后，通过加热去除剩余的水凝胶，留下一个完美复制原始凝胶形状的金属或陶瓷结构。最终得到的物体异常致密而且耐用。由于金属盐是在打印步骤之后才添加的，因此一个水凝胶模型可以转化为多种金属、陶瓷或复合材料。

多次灌注之后，盐离子含量不断提升

研究人员表示，这个过程其实非常容易操作，而且成本很低就可以制造出高质量的金属和陶瓷。而且它也是一种新的制造形式，因为，材料的选择是在3D打印之后进行的。

研究团队利用铁、银和铜制造了名为螺旋体晶格结构，强度测试发现，与以前方法制造的材料相比，他们的材料能够承受高出20倍的压力，而收缩率仅为20%，而以前方法生产的材料的收缩率则高达60-90%。

铜灌注水凝胶后的横截面图

3D打印技术参考还留意到，相比于传统激光粉末床3D打印，水凝胶灌注制造金属材料，不需要支撑就可以制造出高复杂度的悬空结构或微流道，甚至可以随意调整材料成分和微观结构。

总的来说，水凝胶灌注金属3D打印技术可以实现“先打印、后选材”，并能实现高精度制造；能够实现传统方法难以实现的微结构制造；能够避免激光激光打印中的一些固有缺陷；同时，它也为开发特定性能的材料开辟了新的方案。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

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