その場で微細構造を制御するマイクロメタル3Dプリントプロセスが利用可能になりました

出典: 3Dプリンティングビジネス情報

テキサス大学ダラス校機械工学部の研究者チームが、局所パルス電気めっき（L-PED）と呼ばれる電気化学ベースの金属 3D 印刷方法を発明しました。この方法を使用することで、チームは印刷プロセス中に金属の微細構造をその場で制御できるようになりました。 L-PED は後処理の影響を受けず、プロセスパラメータを調整することで 3D プリントされた純粋な結晶金属の機械的および電気的特性を向上させることができます。

L-PED を使用したマイクロ金属 3D プリント<br /> L-PED では、選択された金属の電解質を使用して、ノズルの先端に電着が限定されます。ノズルが基板に近づくと、導電性基板とノズルの間に形成されるメニスカスに金属イオンが堆積します。ノズルと基板の間に、数ミリ秒間隔で非常に高い電流が繰り返し流されます。

標準的な条件下では、研究チームは90±5パーセントの電流効率を達成することに成功しました。これは、不純物や酸素の存在が最小限であることを意味します。ノズルと基板の相対位置を正確に制御して動かすことで、希望する 3D 形状の構造を印刷できます。この方法では、自立型ワイヤ、マイクロピラー (μ ピラー)、層ごとの構造など、さまざまな形状を印刷できます。

L-PED 3D 印刷プロセスの概略図。
強度、延性、導電性が向上<br /> L-PED プロセスを使用して、数十個の銅製 μ ピラーが直接 3D プリントされます。数十個の銅製μピラーが直接 3D プリントされます。平均電流密度が 2 ～ 35 nm s^-1 の同様の μ ピラーが、集束イオンビームを使用して対象材料の薄膜から作成されました。。このパラメータ範囲では、印刷されたすべての銅 μ ピラーに二重境界が含まれます。双晶境界の平行配列の存在は、機械的および電気的特性を向上させることが知られています。

(E) 3D プリントされた μ ピラーの SEM 画像、(F) 層ごとに L-PED でプリントされた 40 層の構造を持つアレイ、(G) スパイラルパターン、および (H) μ ピラーのクローズアップビュー。
L-PED の微細構造を制御する重要なパラメータは平均電流密度です。平均電流密度は平均堆積速度に比例します。堆積速度が増加すると、双晶境界の密度が増加します。ランダムに配向した粒子はより円筒状になり、サイズが小さくなり、粒子内部の双晶境界はより均一になります。

印刷された銅の微細構造と特性の関係を調査するために、印刷された銅柱をその場走査型電子顕微鏡 (SEM) の微小圧縮実験でテストしました。インサイチュ SEM ナノ化学実験の結果、平均電流密度が約 1.7 倍増加すると、金属堆積速度が約 1.4 倍増加し、印刷された金属の流動応力が約 44% 向上することが示されました。特に、3D プリントされた銅の流動応力は、印刷中に微細構造を変更することで、バルク銅の 3 ～ 5 倍に調整できます。

3 つの異なる平均電流密度と圧縮された μ ピラーを使用して、印刷された μ ピラーに対して in situ SEM マイクロ圧縮実験を実行しました。
研究者らは、平均電流密度を制御することで、双晶境界の密度と方向、および結晶粒径を制御できることを実証しました。整列した高密度の双晶境界を持つ微細銅 3D プリントは、高い強度、延性、電気伝導性を備えていることが示されました。

マイクロスケール金属積層造形

マイクロ AM の現在の焦点は、複雑な形状の小さな構造物を作成することにありますが、業界が直面している最も困難な課題の 1 つは、印刷された金属の材料特性の制御です。現在利用可能な物理的および化学的金属 μ-AM プロセスの例としては、直接インク印刷 (DIW) と電気流体力学的印刷 (EHD) があります。 DIW と EHD では通常、印刷された複合材料から有機マトリックスを除去するために熱処理が必要です。通常、400～500℃まで、後処理中に金属相の著しい多孔性、緻密化、および粒成長が発生することがよくあります。

L-PED は微細構造のその場制御を実現し、現在利用可能なパターン形成および 3D 印刷金属プロセスを大幅に上回ります。「この重要な進歩により、材料特性に望ましくない影響を及ぼすことが多い微細構造を設計するための後処理が不要になる」と研究の共著者の一人、ソヘイル・ダリアデル氏は述べた。

L-PED は、その優れた材料特性により、電子デバイス、微小電気機械システム (MEMS)、光学デバイス、センサーなどの金属 μ-AM の機能的アプリケーションの実現への道を開きます。しかし、現在、堆積できる金属は銅、プラチナ、金など限られた数に限られており、将来的には他の金属や合金も L-PED で印刷される予定です。

「局所的電気めっきを用いたマイクロスケール銅付加製造における微細構造の制御」という論文が、Advanced Engineering Materials 誌に掲載されました。これは、Soheil Daryadel、Ali Behroozfar、Majid Minary-Jolandan の共著者です。

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