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基于改性聚合物3D打印的功能化金屬微結構制造

更新時間：2023-01-17點擊次數(shù)：874
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金屬三維微結構由于其具有的獨。特的光學、熱學、磁學、電子學和催化特性，在微機電系統(tǒng)（MEMS）、集成電路、高頻電子、光電子、小型飛行器和支架等微尺度系統(tǒng)、微流體和微型機器人等領域具有極大的應用潛力。盡管存在用于制造宏觀尺度三維金屬結構的成熟技術，但到了微觀尺度時，現(xiàn)有技術都較難實現(xiàn)。因此目前，*行聚合物打印，以創(chuàng)建復雜的微 3D 結構，而后在結構表面鍍一層金屬這一方法引起了大家的興趣。相比于傳統(tǒng)的金屬打印樣品，3D 金屬-聚合物復合功能器件具有更復雜、精密的結構，更輕的重量，以及更高的設計自由度和更高的集成度。

近期，南洋理工大學的Hirotaka Sato教授團隊，王一凡教授團隊以及早稻田大學的Shinjiro Umezu教授團隊合作提出了一種新型的金屬-聚合物微尺度三維結構的制造方法。該方法采用將催化劑前體加載到光固化樹脂中的方法，利用新型微立體光刻技術(nanoArch S140，摩方精密)進行復雜結構的高精度3D打印，并使用NaOH 溶液對打印樣品進行預處理，以增加催化劑前體 [Pd(II)] 的存在，便于后續(xù)將金屬化學鍍(ELD)到打印樣品上。 與傳統(tǒng)工藝相比，該工藝更加安全環(huán)保，并且耗時更少，同時更加便宜。此外，此方法還可以實現(xiàn)金屬的多層沉積以獲得具有所需特性組合的多功能結構。該制造方法克服了傳統(tǒng)化學鍍工藝的瓶頸，例如進行預處理時對有毒化學品的使用。相關成果以“Modified polymer 3D printing enables the formation of functionalized micro-metallic architectures”為題發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。
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圖 1：使用 BMF microArch S140 3D 打印機對金屬-聚合物混合微結構進行 3D 打印。a) PµSL技術示意圖。b) 基于 PµSL 技術的微結構3D 打印過程 i) CAD 建模 ii) 切片 iii) PµSL 3D 打印 iv) 最終樣品。c) 用于金屬-聚合物混合微結構的化學鍍工藝。

微尺度金屬三維結構的制造過程主要分為兩個步驟：(i) 微尺度結構的PµSL打印。(2) 對打印樣品表面的化學鍍。團隊成員使用面投影微立體光刻技術 (nanoArch S140, 摩方精密) 完成器件的制備。化學鍍的流程如圖1(c)所示。 (1) 用酒精以及去離子水清洗使用催化劑樹脂打印的樣品 (2) 將樣品浸入 50 ºC 的 0.2 M NaOH 中 30 分鐘以便于樹脂的開環(huán)，使 Pd2+活躍在樣品表面。 (3) 用去離子水清洗樣品上多余的NaOH。(4) 將樣品浸入NaH?PO?溶液中，50℃攪拌15分鐘，使Pd (II)還原為Pd。(5) 重復去離子水清洗 (6) 將樣品進行Ni-P/Cu 或Co-P 化學鍍浴。(7) 用去離子水洗滌樣品并吹干。為了通過微型 3D 打印技術制造微尺度結構，上述團隊進行了打印材料配方的優(yōu)化。基礎配方是一種水洗光敏樹脂。在不同的溶劑和條件下制備不同的PdCl2催化劑樹脂，并將其放置5小時，通過觀察是否有明顯的沉淀現(xiàn)象產(chǎn)生，驗證其穩(wěn)定性。而后改變PdCl2濃度，研究其對催化劑樹脂穩(wěn)定性的影響（如圖2所示）。

結果顯示，使用 0.7 M NH4Cl制備的 PdCl2催化劑樹脂具有良好的穩(wěn)定性，可打印精度達50µm的微尺度結構。本研究在化學鍍方法上有了很大改進，可以擺脫傳統(tǒng)對于有毒化學藥品的使用，同時均勻地將Ni、Cu、Co等金屬鍍在復雜三維微結構上，展現(xiàn)了在微電子、微型機器人等領域的巨大應用潛力。


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圖 2：在不同 PdCl2 濃度條件下制備的催化劑樹脂的穩(wěn)定性。a) 在 0.7M NH4Cl 中用不同濃度的 Pd(II) 制備的催化劑樹脂，以研究 Pd(II) 濃度對催化劑樹脂穩(wěn)定性的影響，i) 不同的 Pd(II) 溶液，ii) 催化劑樹脂混合物b )相同Pd(II)濃度下，不同老化時間的催化劑樹脂。
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圖 3：a) 樹脂與打印機參數(shù)測試。b) 打印試樣化學鍍測試。c) 3D 打印微觀結構精度比較 i) 水洗樹脂和 ii) 催化劑樹脂。
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圖 4：a) 樹脂環(huán)斷裂的堿性水解機理。b) 化學鍍工藝優(yōu)化。c) 化學鍍 3D 打印結構。i) 鍍銅立方體 ii) 鍍鎳網(wǎng)格立方體 iii) 鍍鈷齒輪 iv)鍍鎳迷你輪。
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圖 5：微尺度3D打印化學鍍的應用。磁性微尺度機器人的運動 a) 研究中使用的局部和全局坐標系示意圖 b) 繞 局部坐標系x 軸旋轉以沿全局坐標系x 方向滾動 c) 繞局部坐標系 y 軸旋轉 d) 沿局部坐標系 i) x 軸 ii) y 軸和 iii) z 軸移動。