Fabricação aditiva de micro

Nature volume 612, páginas 685–690 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A manufatura aditiva de metal (AM) permite a produção de componentes1 de alto valor e alto desempenho com aplicações desde aeroespacial2 até campos biomédicos3. A fabricação camada por camada contorna as limitações geométricas das técnicas tradicionais de usinagem, permitindo que peças otimizadas topologicamente sejam feitas de forma rápida e eficiente4,5. As técnicas existentes de AM dependem da fusão ou sinterização iniciada termicamente para moldar a peça, um processo caro e com limitação de material6,7,8. Relatamos uma técnica AM que produz metais e ligas com resolução em microescala via fotopolimerização em cuba (VP). Hidrogéis de arquitetura tridimensional são infundidos com precursores de metal, depois calcinados e reduzidos para converter os andaimes de hidrogel em réplicas de metal miniaturizadas. Essa abordagem representa uma mudança de paradigma em VP; o material é selecionado somente após a fabricação da estrutura. Ao contrário das estratégias de VP existentes, que incorporam materiais-alvo ou precursores na fotoresina durante a impressão9,10,11, nosso método não requer reotimização de resinas e parâmetros de cura para diferentes materiais, permitindo iteração rápida, ajuste de composição e capacidade de fabricar multimateriais. Demonstramos AM de metais com dimensões críticas de aproximadamente 40 µm que são difíceis de fabricar usando processos convencionais. Esses metais derivados de hidrogel têm microestruturas altamente gêmeas e dureza excepcionalmente alta, fornecendo um caminho para criar micromateriais metálicos avançados.

Metal AM é obtido principalmente através de fusão em leito de pó12 e processos de deposição de energia direcionada13. Processos camada por camada permitem a fabricação de multimateriais metálicos14 e compósitos classificados funcionalmente15, mas esses processos baseados em laser lutam para produzir materiais como o cobre; alta condutividade térmica e baixa absortividade do laser causam dificuldades na iniciação térmica e localização da fusão ou sinterização16. A fotopolimerização Vat (VP) é uma alternativa promissora que usa a polimerização de radicais livres iniciada por luz para moldar peças. A impressão de processamento de luz digital (DLP) realiza isso projetando imagens bidimensionais de luz ultravioleta em um banho de fotoresina para curar uma camada inteira da estrutura tridimensional (3D) simultaneamente. O DLP é capaz de imprimir em altas velocidades17, foi demonstrado com resolução submicrômetro18 e tem diversas aplicações comerciais, desde a fabricação direta de solas de calçados19 até zaragatoas de teste de COVID-1920. O VP foi desenvolvido predominantemente para uso com polímeros21,22,23 e também foi demonstrado para vidros9 e cerâmicas10. No entanto, a seleção de materiais inorgânicos permanece limitada devido aos desafios de incorporar precursores apropriados em fotoresinas como soluções24, pastas25 ou misturas inorgânicas-orgânicas26. Consequentemente, a fabricação de metais via VP continua sendo um desafio. Oran et al. demonstrou AM de prata em nanoescala usando hidrogéis como 'reatores de nanomanufatura'27,28 nos quais a ativação de dois fótons guia a infiltração de precursores para depositar volumetricamente materiais 3D. Vyatskikh et ai. demonstrou AM de níquel em nanoescala usando litografia de dois fótons para padronizar resinas inorgânicas-orgânicas contendo acrilatos de níquel, seguido de pirólise e redução de H226. No entanto, esses trabalhos pioneiros são limitados no escopo do material, exigindo design complexo de resina e otimização para cada novo material. Outras técnicas AM de metal menos comumente usadas, como escrita direta com tinta e jato de material, usam extrusão de um bocal e deposição controlada de um aglutinante, respectivamente, para definir o formato da peça. Esses métodos contornam os desafios de usar o calor para definir o formato da peça; materiais de cobre foram fabricados por meio de escrita direta com tinta29 e jateamento de material30, mas nenhuma das técnicas produziu peças de cobre com tamanhos de recursos abaixo de 100 µm.