3D打印金属和陶瓷零件的最大技术障碍是什么？答案是孔隙率。无论是粉末床熔融（SLM）还是粘合剂喷射技术，最终打印件中总会存在一定数量微小气孔。这些气孔在静态载荷下可能无关紧要，但在循环疲劳和高温环境中，它们就是裂纹萌生的源头，导致零件过早失效。
瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家们开发出了一种令人眼前一亮的颠覆性方案。他们放弃了传统的「粉末烧结」思路，转而采用了一种近乎生物成长的制造方法——先用水凝胶3D打印出多孔骨架，再将金属盐溶液注入骨架中，逐步「生长」出致密的金属和陶瓷结构。这种方法生产的金属零件强度比传统工艺高出20倍。
从粉末烧结到生长制造：理念的颠覆
EPFL团队将这项技术称为「水凝胶辅助金属沉积」（HAMD）。整个流程分为三步。第一步，使用标准的光固化 3D打印机 ，以专门设计的水凝胶树脂作为打印材料，制造出具有特定内部通道和孔隙结构的骨架。水凝胶是一种能够吸收大量水分的高分子网络，其特殊的溶胀特性使其能够像海绵一样吸附金属离子。
第二步，将打印好的水凝胶骨架浸入高浓度的金属盐溶液中。由于水凝胶的网络结构具有极高的比表面积和丰富的官能团，金属离子被快速吸附和固定在水凝胶骨架的内外表面。吸附过程可以根据需要重复多次，每次吸附都使金属含量进一步增加。
第三步，经过充分的金属离子吸附后，将骨架进行高温热处理。在热处理过程中，水凝胶骨架被热分解去除，同时金属离子被还原为金属原子并在原位烧结，形成连续的金属基质。最终的产物是一个完全致密的纯金属结构件，没有任何孔隙和缺陷。
致密化：消除孔隙，强度飞跃
传统金属3D打印的孔隙问题源于粉末颗粒之间的固有间隙。即使经过高温烧结，这些间隙也难以完全消除，粉末融合打印件的典型致密度约为95%至99%。EPFL团队的水凝胶生长法从根本上绕过了这个问题。
在水凝胶骨架中，金属盐以分子级别的均匀度分布在三维空间中。热处理时，每一个金属离子都在纳米尺度上与其相邻的离子键合，形成没有亚微米级间隙的致密晶体结构。测试显示，HAMD工艺生产的金属零件的相对密度超过99.9%，几乎达到了锻造金属的水平。
力学测试进一步证实了HAMD工艺的优势。研究团队打印了多种金属和陶瓷材料的标准测试件，包括铜、镍、银以及氧化铝陶瓷。HAMD工艺生产的铜试件的拉伸强度达到了铸态纯铜的95%以上，是传统粉末烧结铜的20倍。陶瓷试件的致密度和硬度也远超传统陶瓷3D打印工艺。
多材料打印的新可能性
HAMD工艺的另一大优势在于其多材料打印的便利性。传统的粉末床金属打印在切换材料时需要清空粉末并彻底清洁设备，工序复杂且容易交叉污染。而在HAMD工艺中，只需在第二步改变金属盐溶液的种类，即可在同一水凝胶骨架的不同区域「生长」出不同的金属或陶瓷材料。
研究团队已经成功演示了在一个结构件内实现铜-镍梯度过渡的制造过程。这种在微观尺度上精确控制材料成分的能力，对于制造功能梯度材料和异质材料复合结构具有重要的工程应用价值。
来源：ScienceDaily