Un nouveau procédé permet l’impression 3D de pièces métalliques à l’échelle microscopique

Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05433-2″ width=”800″ height=”323″/>

Les ingénieurs de Caltech ont développé une méthode d’impression 3D de métaux purs et multicomposants, à une résolution qui est, dans certains cas, d’un ordre de grandeur plus petit qu’auparavant. Le processus, qui utilise la chimie à base d’eau et l’impression 3D, a été décrit dans un article publié dans La nature le 20 octobre.

Le nouveau processus peut être utilisé pour une variété de métaux, même plusieurs types dans la même pièce fabriquée, avec seulement des ajustements mineurs. Il a le potentiel d’ouvrir la voie à la fabrication de minuscules composants pour les systèmes mécaniques microélectroniques (MEMS) – des composants précis pour les véhicules et les applications spatiales, les échangeurs de chaleur ou les dispositifs biomédicaux.

Dans l’impression 3D (également connue sous le nom de fabrication additive), un objet est construit couche par couche, permettant la création de structures qui seraient impossibles à fabriquer par des méthodes conventionnelles de formage des métaux comme le forgeage et le moulage par jet d’encre, ou via des méthodes soustractives telles que la gravure. ou fraisage. Les procédés actuels d’impression 3D sur métal utilisent un laser pour zapper les poudres métalliques, ce qui fait fondre le métal pour qu’il se solidifie ensuite dans des formes spécifiques. De cette façon, les fabricants peuvent créer des structures avec une résolution d’environ 100 microns, ce qui équivaut à peu près à l’épaisseur de deux feuilles de papier. (La résolution est l’échelle du plus petit détail que le processus est capable de produire.)

Le problème est que les métaux, en particulier ceux à haute conductivité thermique tels que le cuivre, transmettent si bien la chaleur que même avec un laser finement focalisé, la chaleur se propage et fait fondre la poudre en dehors de la zone souhaitée, ce qui réduit la résolution possible de l’impression.

Une équipe dirigée par les étudiants alors diplômés Max Saccone (Ph.D. ’22), maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford; Rebecca Gallivan (MS ’22), actuellement chercheuse postdoctorale à l’ETH Zurich; Daryl Yee (MS ’16, Ph.D. ’20), professeur assistant entrant à l’EPFL, Suisse ; et Kai Narita (Ph.D. ’21) travaillant dans le laboratoire de Julia R. Greer de Caltech, ont développé une approche différente du problème : au lieu d’écrire directement sur les métaux, ils impriment en 3D un hydrogel et l’utilisent comme échafaudage pour le métal. contenant des précurseurs liquides. Narita a lancé une start-up nommée 3D Architech qui octroie une licence pour la nouvelle technologie de Caltech.

“Nous avons dû développer une nouvelle façon de le faire, et nous ne pouvions pas compter sur la chaleur pour construire nos structures”, explique Saccone.

Les hydrogels sont des matériaux fabriqués à partir de chaînes polymères flexibles qui ne se dissolvent pas dans l’eau et sont utilisés pour des produits tels que les lentilles de contact souples. La lumière d’une lampe ultraviolette de faible puissance est capable de déclencher une réaction chimique dans les polymères liquides, provoquant leur durcissement en induisant une réticulation des chaînes polymères. Si vous répétez le processus encore et encore dans un modèle spécifique, vous pouvez former les formes microscopiques souhaitées.

Les chercheurs de Caltech infusent ensuite les échafaudages d’hydrogel imprimés en 3D avec des sels métalliques dissous dans l’eau (pensez à l’eau salée), provoquant l’infiltration des ions métalliques dans l’hydrogel, et pas seulement sur sa surface. Ensuite, dans la partie “réaction” du processus, les chercheurs brûlent la partie hydrogel de la structure dans un four qui atteint 700 à 1100 degrés Celsius, selon le matériau. Parce que le point de fusion de tous les métaux est supérieur à la température de combustion de l’hydrogel, le métal reste intact.

La chaleur élimine non seulement l’hydrogel, mais provoque également le rétrécissement de la structure globale lorsque l’hydrogel brûle, ce qui donne une structure métallique encore plus petite. Avec ce procédé, en plus des métaux purs, l’équipe peut imprimer en 3D des alliages métalliques et des systèmes métalliques à plusieurs composants, avec des tailles d’environ 40 microns, soit moins de la moitié de la largeur d’un cheveu humain.

“L’une des choses passionnantes est qu’il fonctionne avec une variété de métaux avec juste un léger réglage de la phase de” réaction “du processus et crée de nouvelles opportunités pour l’ingénierie des matériaux à l’échelle microscopique”, déclare Gallivan. Tout en développant le processus, l’équipe a produit des structures imprimées en 3D en cuivre, nickel, argent et divers alliages métalliques.

« Le processus de fabrication additive par infusion d’hydrogel, ou HIAM, comme nous l’avons inventé, établit une voie pour créer des matériaux métalliques d’une manière entièrement nouvelle, beaucoup plus respectueuse de l’environnement à des niveaux de précision sans précédent », déclare Greer, professeur Ruben F. et Donna Mettler. de la science des matériaux, de la mécanique et du génie médical ; Fletcher Jones Foundation Directeur du Kavli Nanoscience Institute ; et un pionnier dans le domaine des matériaux architecturés à l’échelle nanométrique et micrométrique.

L’article s’intitule “Fabrication additive de métaux micro-architecturés via l’infusion d’hydrogel”.