Imprimante 4D multi-métaux. Illustration de l'imprimante 3D électrochimique multi-métal à faible coût. (a) Vue de face. (b) Configuration de la tête d'impression. (c) Vue de détail mettant en évidence les buses de dépôt et le bilame déposé. Crédit: Rapports scientifiques , doi :https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5
L'impression en quatre dimensions (4D) peut créer des géométries 3D complexes qui réagissent aux stimuli environnementaux, ouvrant de nouvelles opportunités de conception en science des matériaux. Une grande majorité des approches d'impression 4D utilisent des matériaux polymères, qui limitent la température de fonctionnement pendant le processus d'ingénierie. Dans une étude récente, Xiaolong Chen et ses collègues de la Dyson School of Design and Engineering, Département des sciences et de l'ingénierie de la Terre et Département des matériaux de l'Imperial College de Londres, ROYAUME-UNI., a développé une nouvelle imprimante 3D électrochimique multi-métal. L'appareil a pu construire des géométries bimétalliques en déposant sélectivement différents métaux avec un comportement sensible à la température programmé dans la structure imprimée. Dans l'étude, ils ont démontré une approche d'impression 3D électrochimique confinée au ménisque en utilisant une conception de tête d'impression multiple et des matériaux de nickel et de cuivre comme exemples, la capacité peut être transférée à d'autres solutions de dépôt. Les résultats sont maintenant publiés dans Rapports scientifiques .
Fabrication additive (FA), populairement connu sous le nom d'impression 3D, peut fabriquer des architectures 3-D complexes en joignant séquentiellement des matériaux couche par couche. La flexibilité de la FA a maintenant trouvé des applications dans l'aérospatiale, automobile, industries médicales et énergétiques. En premier, Les applications FA se sont concentrées sur l'utilisation de polymères pour faciliter la consolidation, soit par photopolymérisation (stéréolithographie) soit par des procédés thermiques (comme la modélisation par dépôt fondu :FDM). Cependant, l'adoption croissante de la FA à base de métal a maintenant fait passer la technologie d'un outil de prototypage à des produits finis d'ingénierie. Les principales technologies utilisées pour les applications pratiques comprennent :
La plupart de ces méthodes n'utilisaient qu'un seul matériau, tandis que les efforts de recherche en cours visent à étendre les méthodes pour inclure des capacités multi-matériaux. Un inconvénient principal des méthodes précédentes pour l'ingénierie multi-matériaux à base de métal était le coût d'investissement élevé de l'expérience et les risques de sécurité associés à l'utilisation de lasers de haute puissance, poudres métalliques et traitement thermique à haute température.
Illustration schématique du processus d'impression 3D multi-matériaux. (a) Le processus d'électrodéposition de cuivre confiné au ménisque. (b) Le processus d'électrodéposition de nickel confiné au ménisque. Crédit: Rapports scientifiques , doi :https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5.
La fabrication additive électrochimique (ECAM) est une technique relativement nouvelle de FA métallique qui peut intégrer le dépôt électrochimique localisé d'ions métalliques à partir de solutions électrolytiques pour créer des structures métalliques. L'ECAM est avantageux car il élimine les processus thermiques pour offrir un système plus sûr à moindre coût, bien que les défis entourant la vitesse de dépôt restent à surmonter. Une nouvelle possibilité de conception comprenait l'impression 4D pour créer des structures auto-assemblantes et autorégulatrices qui pourraient changer de forme en raison de stimuli environnementaux tels que la température, l'humidité ou la lumière. Les structures 4-D sont généralement fabriquées en synthétisant des matériaux actifs dotés de propriétés sensibles à la température pour contrôler les conditions aux limites thermiques et obtenir des formes temporaires.
Les approches d'impression 3D multi-métaux existantes sont basées sur la thermique, où une poudre ou un fil soufflé est introduit dans un bain de fusion créé par un laser dans un environnement inerte. Étant donné que les métaux ont des températures de fusion plus élevées que les polymères, il est possible de créer des structures 4-D avec des températures de fonctionnement et une résistance mécanique plus élevées avec le métal. Cependant, les chercheurs doivent encore développer une imprimante métal multi-matériaux à faible coût. Dans le travail present, Chen et al. a présenté une nouvelle approche basée sur l'ECAM pour créer des structures multi-métaux à haute résolution et à faible coût. Comme exemples des mérites de l'approche, les scientifiques ont démontré programmé, réponses mécaniques aux stimuli thermiques en construisant des bilames cuivre-nickel.
Le nouveau travail fait suite à des expériences précédentes menées par la même équipe de recherche. Dans la présente étude, ils ont rapporté des techniques de caractérisation des bandes bimétalliques cuivre-nickel imprimées, y compris la conductivité électrique et la morphologie de surface en utilisant des techniques standard de microscopie électronique à balayage (MEB) et de tomodensitométrie à rayons X (XCT). Les scientifiques ont converti une imprimante 3D FDM commerciale en une imprimante 3D électrochimique multi-métal à faible coût. L'installation contenait deux seringues; chacun avec un électrolyte de sulfate de cuivre (bleu) et l'électrolyte de sulfate de nickel (vert). Ils ont ensuite inséré deux fils de cuivre dans l'ensemble seringue à électrolyte de sulfate de cuivre; une comme contre-électrode et une autre comme référence. La seringue de solution de nickel était de composition similaire, avec des mousses de nickel à la place des fils de cuivre. Les mouvements de l'installation étaient contrôlés par ordinateur.
Vue de dessus optique (en médaillon) et micrographies en coupe transversale SEM de bandes bimétalliques cuivre-nickel imprimées avec un temps de dépôt de cuivre de 3 h (5 V vs Cu) et (a) 1 h, (b) 3 hr et (c) 5 hr (2 V vs Ni) temps de dépôt de nickel avec l'analyse EDS qui l'accompagne. Crédit: Rapports scientifiques , doi :https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5.
Lors de la fabrication, Chen et al. rempli une seringue d'électrolyte pour le dépôt, tandis que l'autre est restée vide pour éviter un mélange indésirable des solutions d'électrolyte. Dans la première étape, ils ont déposé une couche de cuivre à partir de l'électrolyte de sulfate de cuivre aqueux pour former un ménisque d'électrolyte stable entre la buse et le substrat. Les scientifiques ont ensuite utilisé un potentiostat pour appliquer un potentiel constant et réduire le Cu 2+ ions dans l'électrolyte au cuivre métallique sur le substrat. Dans le travail present, Chen et al. utilisé une plume en nanofibre électrofilée pour faciliter le processus. Après avoir déposé la couche de cuivre, les scientifiques ont également déposé une couche de nickel et obtenu des images SEM des matériaux.
Les scientifiques ont observé une interface claire entre les surfaces de nickel et de cuivre, où les deux couches métalliques présentaient une morphologie polycristalline ou nanocristalline. Les surfaces contenaient également une forme convexe en raison d'une densité de courant de réaction plus élevée pendant le dépôt par buse. Pour étudier les propriétés thermomécaniques des bilames imprimés, ils ont placé les échantillons sur un lit chauffé avec un composant fixe et l'autre libre de se déplacer. Chen et al. puis augmenté la température de 50 0 C à 300 0 C et placé une caméra au-dessus des échantillons pour visualiser le degré de déplacement. En raison des divers coefficients de dilatation thermique du cuivre et du nickel, les scientifiques ont observé une déformation mécanique des matériaux, générer des contraintes internes dans les couches métalliques étroitement liées à l'interface. Pour détecter l'angle de déformation, ils ont ajusté les images acquises à un cercle et en ont déduit le rayon de courbure à l'aide du logiciel MATLAB.
Réponse thermomécanique de différents cuivres (3 h, 5 V vs Cu)-nickel Ni (5 hr, Structures 2 V vs Ni) fabriquées par une approche ECAM multi-buses. (a) Déformation d'un bilame Cu-Ni avec chauffage perpendiculaire. (b) Déformation d'un bilame Cu-Ni avec dépôt sélectif de nickel au centre de la bande et chauffage avec la bande à plat contre le lit chauffant. (c) Déformation d'une bande tricouche Cu-Ni-Cu avec des structures sandwich Cu-Ni-Cu aux deux extrémités de la bande. (d) Images optiques d'échantillons programmés pour présenter les lettres « ICL » à température ambiante et 300 °C « ICL ». La barre d'échelle est la même pour toutes les images d'une longueur de 2 mm. Crédit: Rapports scientifiques , doi :https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5
Les variables de conception clés qui ont affecté le rayon de courbure des bandes bimétalliques comprenaient l'épaisseur de la couche, Le module d'Young et le coefficient de dilatation thermique des deux couches tels que dérivés dans l'étude. Les scientifiques ont mesuré les angles de flexion pour différentes compositions de bandes bimétalliques Cu-Ni à différentes températures et caractérisé les échantillons avec des reconstructions XCT, Micrographies SEM et cartographie EDS à l'interface du matériau. Chen et al. mesuré la conductivité électrique des bilames et réalisé un circuit électrique simple actionné par le bilame imprimé. Les échantillons bimétalliques imprimés pourraient fonctionner dans des environnements à haute température comme observé avec le circuit simple. Lorsque les scientifiques ont augmenté la température à 300 0 C, le bilame Cu-Ni plié, fermeture de l'alimentation à la LED et montrant sa capacité à détecter l'environnement, ouvrant de nouvelles possibilités pour des structures imprimées en 3D plus intelligentes.
(a) Angles de flexion mesurés pour différentes bandes bimétalliques Cu-Ni à différentes températures. (b) Angles de courbure théoriques de bilames Cu-Ni avec des géométries idéalisées. (c) Reconstructions XCT d'échantillons Cu(3 hr)-Ni(1 hr) et Cu(3 hr)-Ni(5 hr) avec des images en coupes reconstruites. (d) Micrographie SEM et cartographie EDS de l'interface Cu-Ni-Cu. (e) Mesures de déplacement de bandes tricouches avec une largeur d'écart variable ainsi que des simulations FEA (analyse par éléments finis) validées. (f) Mesures de conductivité électrique des bilames. (g) Schéma et photos d'un circuit électrique simple actionné par le bilame imprimé. Crédit: Rapports scientifiques , doi :https://doi.org/10.1038/s41598-019-40774-5
De cette façon, Chen et al. développé une nouvelle imprimante 3D électrochimique pour concevoir des multi-métaux (cuivre et nickel) sensibles à la température, Structures 4-D. Ils ont caractérisé l'interface étroitement liée de Cu-Ni et programmé l'angle de liaison des matériaux lors de l'exposition à la température. Comme preuve de concept, ils ont construit un circuit de détection de température simple et conçu des structures d'intérêt basées sur des stimuli thermiques. Les résultats ont démontré que le premier rapport, à bas prix, approche d'impression 3-D multi-métaux pour créer des structures 4-D à haute température. La recherche ouvrira de nouvelles possibilités pour créer intelligent et complexe, Architectures et capteurs métalliques auto-assemblants/actionnants 4-D à haute température utilisant des composants peu coûteux et de multiples matériaux.
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