Produzione additiva di micro

Natura volume 612, pagine 685–690 (2022)Citare questo articolo

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La produzione additiva di metalli (AM) consente la produzione di componenti di alto valore e ad alte prestazioni1 con applicazioni dal settore aerospaziale2 a quello biomedico3. La fabbricazione strato per strato aggira le limitazioni geometriche delle tradizionali tecniche di lavorazione dei metalli, consentendo di realizzare parti topologicamente ottimizzate in modo rapido ed efficiente4,5. Le tecniche AM esistenti si basano sulla fusione o sinterizzazione avviata termicamente per la modellatura delle parti, un processo costoso e limitato dai materiali6,7,8. Riportiamo una tecnica AM che produce metalli e leghe con risoluzione su microscala tramite fotopolimerizzazione in vasca (VP). Gli idrogel dall'architettura tridimensionale vengono infusi con precursori metallici, quindi calcinati e ridotti per convertire le impalcature dell'idrogel in repliche metalliche miniaturizzate. Questo approccio rappresenta un cambiamento di paradigma nella VP; il materiale viene selezionato solo dopo la realizzazione della struttura. A differenza delle strategie VP esistenti, che incorporano materiali target o precursori nella fotoresina durante la stampa9,10,11, il nostro metodo non richiede la riottimizzazione delle resine e dei parametri di polimerizzazione per materiali diversi, consentendo una rapida iterazione, messa a punto della composizione e la capacità di fabbricare multimateriali. Dimostriamo l'AM di metalli con dimensioni critiche di circa 40 µm che sono difficili da fabbricare utilizzando processi convenzionali. Tali metalli derivati ​​​​dall’idrogel hanno microstrutture altamente gemellate e una durezza insolitamente elevata, fornendo un percorso per creare micromateriali metallici avanzati.

L'AM in metallo viene ottenuta principalmente tramite processi di fusione a letto di polvere12 e deposizione diretta di energia13. I processi strato per strato consentono la fabbricazione di multimateriali metallici14 e compositi funzionalmente classificati15, ma tali processi basati sul laser faticano a produrre materiali come il rame; l'elevata conduttività termica e il basso assorbimento del laser causano difficoltà nell'innesco termico e nella localizzazione della fusione o della sinterizzazione16. La fotopolimerizzazione in vasca (VP) è un'alternativa promettente che utilizza la polimerizzazione dei radicali liberi avviata dalla luce per modellare le parti. La stampa DLP (Digital Light Processing) realizza ciò proiettando immagini bidimensionali di luce ultravioletta in un bagno di fotoresina per polimerizzare simultaneamente un intero strato della struttura tridimensionale (3D). La DLP è in grado di raggiungere velocità di stampa elevate17, è stata dimostrata con una risoluzione submicrometrica18 e ha diverse applicazioni commerciali, dalla produzione diretta di suole per scarpe19 ai tamponi per test COVID-1920. Il VP è stato sviluppato prevalentemente per l'uso con i polimeri21,22,23 ed è stato dimostrato anche per vetri9 e ceramiche10. Tuttavia, la selezione dei materiali inorganici rimane limitata a causa delle difficoltà legate all’incorporazione di precursori appropriati nelle fotoresine come soluzioni24, fanghi25 o miscele inorganiche-organiche26. Di conseguenza, la fabbricazione dei metalli tramite VP rimane una sfida. Orano et al. hanno dimostrato l'AM dell'argento su scala nanometrica utilizzando idrogel come "reattori di nanoproduzione"27,28 in cui l'attivazione di due fotoni guida l'infiltrazione di precursori per depositare volumetricamente materiali 3D. Vyatskikh et al. hanno dimostrato l'AM del nichel su scala nanometrica utilizzando la litografia a due fotoni per modellare resine inorganiche-organiche contenenti acrilati di nichel, seguite da pirolisi e riduzione di H26. Tuttavia, questi lavori pionieristici sono limitati nella portata dei materiali e richiedono una progettazione complessa della resina e l’ottimizzazione per ogni nuovo materiale. Altre tecniche di AM in metallo meno comunemente utilizzate, come la scrittura diretta con inchiostro e il getto di materiale, utilizzano rispettivamente l'estrusione da un ugello e la deposizione controllata di un legante per definire la forma della parte. Questi metodi aggirano le sfide legate all'utilizzo del calore per definire la forma della parte; i materiali in rame sono stati fabbricati tramite scrittura diretta con inchiostro29 e getto di materiale30, ma nessuna delle due tecniche ha prodotto parti in rame con dimensioni inferiori a 100 µm.