EPFL實現(xiàn)高強度3D打印金屬陶瓷制造，強度躍升20倍，收縮率銳減至20%

2025年10月9日，南極熊獲悉，洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員率先開發(fā)出一種新的3D打印方法，可以在水基凝膠內(nèi)“生長”金屬和陶瓷，從而為下一代能源、生物醫(yī)學和傳感技術打造出極其致密而又復雜的結構。

新型水凝膠模板法實現(xiàn)高強度金屬陶瓷3D打印

光聚合技術通常僅用于光敏聚合物，這限制了它的實際應用范圍。雖然一些3D打印技術已經(jīng)開發(fā)出將這些打印聚合物轉化為更堅韌的金屬和陶瓷，但EPFL工程學院材料化學與制造實驗室負責人Daryl Yee解釋說：“用這些技術生產(chǎn)的材料存在嚴重的結構缺陷。這些材料往往具有多孔性，這大大降低了它們的強度，而且零件會過度收縮，從而導致翹曲?！?br />

△相關研究已發(fā)表在《先進材料》期刊上，題目為“基于水凝膠的低收縮陶瓷和金屬槽光聚合（通過重復灌注沉淀）”（傳送門）

與之前的方法不同，EPFL團隊首先用簡單的水凝膠構建了一個3D支架，而不是使用光來硬化預先注入金屬前體的樹脂。然后，他們將金屬鹽注入這種“空白”水凝膠中，再通過化學方法將它轉化為能夠滲透到結構中的含金屬納米顆粒。重復此過程，即可生成金屬濃度極高的復合材料。

△銅注入水凝膠的橫截面

經(jīng)過5-10個“生長循環(huán)”，最后的加熱步驟會燒掉剩余的水凝膠，留下成品：一個形狀與原始空白聚合物相同的金屬或陶瓷物體，密度和強度空前高超。由于水凝膠在制造后才注入金屬鹽，該技術可以將單個水凝膠轉化為多種不同的復合材料、陶瓷或金屬。

Yee說道：“我們的工作不僅能夠通過便捷、低成本的3D打印工藝制造出高質量的金屬和陶瓷；它還凸顯了增材制造的新范式，即材料選擇發(fā)生在3D打印之后，而不是之前?！?br />

△a)金屬與陶瓷的水凝膠灌注沉淀工藝流程示意圖。b)使用新工藝制造的金屬與金屬氧化物零件的實物照片

3D打印實現(xiàn)強度提升20倍，收縮率銳減至20%

在這項研究中，研究團隊用鐵、銀和銅制作了復雜的數(shù)學晶格形狀，稱為陀螺儀，展示了他們的技術能夠制造出堅固而復雜的結構。為了測試材料的強度，他們使用萬能試驗機對陀螺儀施加了越來越大的壓力。

Yee表示：“我們的工作凸顯了增材制造的新范式，即材料選擇發(fā)生在3D打印之后，而不是之前?！辈┦可娴谝蛔髡逬i Yiming補充道：“與以前的方法生產(chǎn)的材料相比，我們的材料可以承受20倍的壓力，而收縮率僅為20%，而以前的方法生產(chǎn)的材料收縮率為60-90%”。

△采用灌注沉淀法制備的厘米級與毫米級樣品光學圖像

研究團隊表示，他們的技術對于制造先進的3D結構尤其有用，這些結構必須同時兼具強度、重量輕和復雜性，例如傳感器、生物醫(yī)學設備或能量轉換和存儲設備。例如，金屬催化劑對于實現(xiàn)將化學能轉化為電能的反應至關重要。其他應用還包括用于能源技術的具有先進冷卻性能的高表面積金屬。

展望未來，該團隊正致力于改進這項新工藝，以促進這項技術在工業(yè)領域的推廣，特別是進一步提高材料的密度。另一個目標是提高速度：重復的灌注步驟雖然對于生產(chǎn)更堅固的材料至關重要，但與其它將聚合物轉化為金屬的3D打印技術相比，新工藝更加耗時。因此，研究人員正在進一步通過使用機器人自動化這些步驟來縮短總處理時間。