インペリアル・カレッジ・ロンドン：低コストの電気化学マルチメタル 4D プリント ECAM

出典: 3Dプリンティングビジネス情報

Antarctic Bear は、低コストの電気化学マルチメタル 4D プリント ECAM に関する論文が Nature 誌の Scientific Reports に掲載されたことを発見しました。電気化学付加製造法 (ECAM) は、インペリアル・カレッジ・ロンドン (ICL) で開発された低コストの金属製造の新しい方法です。

ビリー・ウー博士は、新しい ECAM Scientific Reports の記事の 3 人の著者のうちの 1 人です。ウー博士は、ICL のダイソンデザイン工学部のエネルギーおよび製造の上級講師として、大学の付加製造ネットワーク (AMN) の共同リーダーも務めています。最近、彼はマスコミのインタビューに応じた。

インペリアル・カレッジ・ロンドンの略語を綴った ECAM 3D プリントサンプル。
レーザーフリーの金属積層造形
ECAM は電気メッキの原理に基づいた製造方法で、ジュエリーに貴金属の層をさらに追加するためによく使用されます。荷電金属イオンの液体溶液を原料として使用し、これが負に帯電した銅層と接触すると固体金属層を形成します。ウー博士の説明によると、このプロセスで使用される一般的な材料には「銅、亜鉛、ニッケル、スズ」が含まれますが、合金も使用できます。「基本的に、電気メッキできる金属であれば、ECAM プロセスで使用できます」と彼は付け加えます。
△マルチマテリアル3Dプリントプロセスの概略図。 (a) メニスカス制御銅電着プロセス。 (b) メニスカス制御ニッケル電着プロセス

△ 3時間（5V Cu）の銅堆積時間と（a）1時間、（b）3時間、（c）5時間（2V Ni）のニッケル堆積時間で3DプリントされたCu-Niバイメタルストリップの光学上面図と断面SEM顕微鏡写真、およびEDS分析を伴う

たとえば、他の金属加工技術に比べてレーザー出力に依存する電気化学プロセスの利点の 1 つは、複数の金属を融合しやすくなることです。これにより、科学者はさまざまな材料の組み合わせを試し、単一の金属構造では不可能な可能性を探ることができます。そのような可能性の 1 つは、4D プリントされた金属オブジェクト、つまり製造後に変形できるオブジェクトを生産することです。これはチームの最新レポートにおける重要な進展の 1 つであり、ウー博士は「複数の金属で印刷できることを実証しました」と述べています。

「2つの異なる金属の熱膨張係数の違いにより、温度に応じて形状が変化する4D構造を設計することができました。」
△複合金属ストリップの熱機械的性質

△図：（a）異なるCu-Ni複合金属ストリップの曲げ角度を異なる温度で測定した。 (b) 理想的な形状の Cu-Ni バイメタルストリップの理論的な曲げ角度。 (c) XCT再構成
再構成された断面画像を備えたCu(3時間)-Ni(1時間)およびCu(3時間)-Ni(5時間)サンプル。 (d) Cu-Ni-Cu界面のSEM顕微鏡写真とEDSマッピング。 (e) 異なるギャップを持つ3層ストリップの変位測定幅と検証されたFEAシミュレーション。 (f) バイメタルストリップの導電率測定。 (g) 印刷されたバイメタルストリップによって駆動される単純な回路の回路図と写真。

高温用途向け 4D プリント<br /> ウー博士が会話の中で正しく指摘したように、4D プリンティングは、ETH チューリッヒの展開可能なトラスや TU デルフトの自動折りたたみチューリップなど、通常はポリマーに限定されています。「しかし、これらのポリマーは動作できる温度に制限があります」と彼は付け加えた。

△低コスト電気化学マルチメタル3Dプリンターのイラスト。 (a) 正面図。 (b) プリントヘッドのセットアップ。 (c) 堆積ノズルと堆積されたバイメタルストリップを強調した詳細図。
ウー博士は、チームの最新の研究の原動力は「4D金属印刷法によって、より高温での動作が実現できる」ことだと付け加えた。さらに、ECAM開発の本来の目的を強化するために、「パッシブアクチュエーションによって複雑なアイテムの設計が簡素化され、より安価で信頼性が高く（部品が少なくなり）、エネルギー効率も向上します」。

マルチメタル 4D プリンティングを実現するために、ICL チームは 2017 年に開発された既存の ECAM システムを改良しました。「銅/硫酸銅とニッケル/硫酸ニッケルという異なる電解質を使用して、プリントヘッドをもう 1 つ追加するだけで、異なる場所に異なる金属を選択的に堆積させることができました」とウー博士は説明しています。

自動オン/オフバルブ<br /> ECAM の新しい機能を実証するために、ICL チームは、「バルブを開く回路を制御するバイメタルストリップ」を含む一連の自己組織化構造を 3D プリントしました。ウー博士は、この装置についてさらに詳しく説明して、「外部制御なしでオンとオフを切り替える構造をプログラムできます。たとえば、温度が高くなりすぎた場合に流れを制限するバルブや、加熱されると自動的に組み立てられる構造を作ることができます」と述べた。

ECAM 社製の 4D 作動スイッチのデモンストレーション。実験の全結果は、Xiaolong Chen、Xinhua Liu、Mengzheng Ouyang、Jingyi Chen、Oluwadamilola Taiwo、Yuhua Xia、Peter RN Childs、Nigel P. Brandon、Wu博士が共著した論文「電気化学3Dプリンターを使用したマルチメタル4Dプリンティング」に掲載されています。《マルチメタル4Dプリンティングと
デスクトップ電気化学3Dプリンター》
研究者らは、FDM およびポリマー 3D 印刷技術にはすでに手頃な価格のシステムが多数あるが、金属 3D 印刷技術は依然として高価であり、これが金属 3D プリンターの開発に重点を置くことにした理由の 1 つであると述べています。また、材料費が高く、レーザーシステムも高価で、アルゴンなどのガスも必要なため、金属 3D プリントは医療、航空宇宙、自動車製造などの一部の産業分野にしか適していません。新しい ECAM プロセスは、現在市場に出回っている金属 3D プリントよりも参入障壁が低いですが、このプロセスがいつ商品化されるかはまだ不明です。

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