Команда инженеров из Калифорнийского технологического института разработала методику 3D-печати металлами в микроскопических разрешениях. Технология получила название HIAM (hydrogel infusion additive manufacturing) – аддитивное производство методом инфузии гидрогеля.
По словам учёных, технологию HIAM можно использовать для 3D-печати как из чистых металлов, так и из различных сплавов, лишь немного адаптируя настройки «принтера». Данная методика может лечь в основу инновационных производственных процессов для создания крошечных компонентов для микроэлектронных механических систем (MEMS), биомедицинских устройств и деталей теплообменных механизмов. При 3D-печати объект строится путём послойного добавления материала на основу – отсюда и название «аддитивная технология». Такой подход позволяет создавать структуры, которые было бы невозможно произвести при помощи традиционных способов формовки металла вроде ковки или литья или при помощи методов, основанных на удалении материала (фрезерование, травление). Впрочем, и у него есть свои ограничения.
Современные процессы 3D-печати металлами работают за счёт воздействия лазера на металлический порошок, который плавится, а затем затвердевает, принимая заданную форму. Таким образом специалисты могут создавать конструкции с разрешением около 100 микрон, что примерно соответствует толщине двух листов бумаги. Проблема данной методики заключается в том, что некоторые металлы, например, медь, обладают настолько высокой теплопроводностью, что при воздействии на них лазером с идеально отстроенным фокусом тепло распространяется и расплавляет порошок за пределами выбранной зоны изделия. Как следствие, от этого страдает точность работы и разрешение печати.
В одной из лабораторий Калифорнийского технологического института команда инженеров разработала принципиально иной подход к 3D-печати металлами. Вместо того чтобы печатать сразу металлом или сплавом, в первую очередь они создают своего рода строительные леса из гидрогеля, а затем заполняют их металлическими «чернилами». Гидрогели – это материалы, изготовленные из гибких полимерных цепей, которые не растворяются в воде. Воздействие маломощной УФ-лампы запускает в них химическую реакцию кросс-полимеризации. Раз за разом повторяя этот процесс, можно задать полимеру нужную матрицу – в данном случае форму, в которую вводятся «чернила». Последние представляют собой растворённые в воде металлические соли.
Ионы металлов проникают в структуру гидрогеля, а не просто покрывают его. Затем конструкция пропекается в печи на температуре от 700 до 1100 C°, в зависимости от материала. Поскольку температура плавления металлов выше температуры сгорания гидрогеля, полимер полностью «испаряется», а металл остаётся нетронутым. Кроме того, воздействие тепла заставляет всю конструкцию сжаться, и готовый продукт становится ещё более миниатюрным. Стоит отметить, что технология 3D-печати HIAM позволяет учёным создавать объекты из чистых металлов, металлических сплавов и многокомпонентных металлических систем с разрешением до 40 микрон – менее половины толщины человеческого волоса. В ходе экспериментов исследователи успешно использовали для печати медь, никель, серебро и разнообразные сплавы. Для дальнейшего развития и коммерциализации методики один из её авторов учредил компанию 3D Architech: сейчас она проходит лицензирование.