一種能“吃掉”金屬3D打印支撐結(jié)構(gòu)的電化學工藝

Owen Hildreth是亞利桑那州立大學（ASU）的一名3D納米制造助理教授。最近，他設計了一種電化學工藝，可用來“吃掉”金屬3D打印件的支撐結(jié)構(gòu)。由于像Stratasys這樣的公司的開創(chuàng)性工作以及特殊的可溶性材料的開發(fā)，塑料3D打印件的支撐結(jié)構(gòu)去除變得容易得多。相對應地，金屬打印件的支撐結(jié)構(gòu)去除仍然是一個難題。

為了解決這個難題，Hildreth的最初想法是“如果控制好局部的化學環(huán)境，任何金屬都可以溶解”。他想象著將犧牲陽極——用來防止鋼船被腐蝕的那種——用在3D打印中。

Hildreth開始與有興趣為金屬3D打印開發(fā)一種新的支撐結(jié)構(gòu)解決方案的賓夕法尼亞州立大學教授Timothy Simpson合作，來開發(fā)一種電化學解決方案。他們的目標是開發(fā)出一個可以“吃掉”支撐材料、同時讓打印件幾乎完好無損的工藝。

令人驚訝的是，該團隊實際上想出了多種方案來應對不同的金屬3D打印方法。首先，Simpson用一臺多材料Optomec直接金屬沉積3D打印機制造了一個帶有碳鋼支撐結(jié)構(gòu)的1英寸不銹鋼拱形結(jié)構(gòu)。然后，他用一種硝酸溶液成功地溶解掉了支撐結(jié)構(gòu)，同時零件完好無損。這種支撐結(jié)構(gòu)相對好去除，因為金屬沉積實際上與FDM 3D打印很像。Hildreth開發(fā)了一種更為復雜的支撐結(jié)構(gòu)去除工藝，適用于SLM、DMLS等基于粉末床的金屬3D打印工藝。

起初，他在熱處理打印件的同時使用亞鐵氰化鈉，但發(fā)現(xiàn)這同時也會太多地侵蝕掉打印件本身。為此，Hildreth進行了改進。他在退火階段加入了一種敏化劑——六氰基高鐵酸鈉。在高溫下，這種化學制品會分解并釋放出碳和氮，從而能在退火階段有效地將3D打印部件頂部的100至200微米轉(zhuǎn)化為碳鋼。相應的，只有125微米厚的支撐結(jié)構(gòu)會變得完全“敏化”，而3D打印件也只用犧牲薄薄的一層。

事實證明，對于用最常見的金屬3D打印工藝制造出的支撐結(jié)構(gòu)，這種方法非常有效。主要的3D打印部件充當陰極，支撐結(jié)構(gòu)則會受到陽極腐蝕。一個在EOS粉末床3D打印機上完成的測試部件證明了該技術的效果，其中支撐結(jié)構(gòu)大約在七個小時內(nèi)被侵蝕掉，遠低于機械加工處理所需的32至40小時。這項3D打印研究已經(jīng)發(fā)表在《3D打印和增材制造（3D Printing and Additive Manufacturing）》雜志上。