Formlabs 3D 列印 ─ 電鍍技術的「天選之子」

今天要帶大家走進科學家Osterwalder 的故事,探索3D 列印如何與電鍍技術結合,帶來更多時間和成本效益!

Osterwalder 的分束器   


       

  Osterwalder的分束器是高度複雜的實驗裝置,在製造這類機器的過程中,特定定制組件的實際製造往往是最常見的瓶頸。而將研究理念轉化為實際的實驗也可能需要數月甚至數年。


        在一家專門從事快速成型部件的電鍍公司的幫助下,Osterwalder找到了一種方法,可以利用3D列印和電鍍技術來加速先進實驗裝置的生產並降低成本。

Osterwalder 的辦公室,「館藏」部分電鍍的3D列印部件和他的分束器

        Osterwalder 的研究是名為「冷化學」的新興領域的一部分。分子或原子碰撞時會發生化學反應,且大多數與人類相關的化學反應發生在室溫(或室溫以上)條件下。在更低的溫度下也會發生反應,即使幾乎沒有運動。Osterwalder 的實驗目的是研究絕對零度-273.15°C 下的化學反應,以了解分子相互作用的一些基本內容。

        為了在如此低的溫度下觀察和控制分子,科學家們必須完全掌控它們的運動。「你可以想像一個水射流:分子束在真空中,在這種情況下我們可以開始控制射流的方向」Osterwalder 說,他為這個實驗創造了一個肉眼可見的分束器。

 

3D列印實驗裝置的第一步   

       儘管研究人員可以立馬想出複雜的技術圖紙,但製造實驗裝置依賴於精密工程和傳統的製造方法,如CNC 或機械加工,通常需要幾個月時間。Osterwalder 希望找到一種更快速,且更具成本效益的方法,將研究理念發展為實際實驗。

        大約在2009 年,Osterwalder 開始注意到3D列印,但隨後可用的熔融沈積成型(FDM),立體光固化(SLA) 和金屬燒結技術要不是不夠精確,就是太昂貴,無法達到他的目的。2015 年,Osterwalder 購買了新推出的Form 2 SLA 3D 列印機後,終於達成了願望。

「SLA 3D 列印的關鍵在於精度」Osterwalder 說。「有了它,我就能輕而易舉地集中生成複雜結構,列印出來的物件與原件如出一轍。」

立體光固化(SLA) 是一項3D 列印技術,利用雷射光將樹脂固化成成品。

分束器製造,數天取代數月   
       

      有了電鍍的3D列印分束器,Osterwalder 能夠在不接觸分子的情況下,將氣相分子流分成兩股。金屬結構用於施加約10,000 伏的電壓,以產生強電場。這些場會在分子上產生力。對於光來說,類似的裝置易於構造(例如,部分反射的窗口),但對於分子而言卻難以實現。

上圖為Osterwalder的分束器,長35厘米的電極結構,以0.025毫米的層厚度分三段列印,分別長15厘米,10厘米和10厘米。

        利用3D列印和電鍍技術,Osterwalder可以將這個實驗裝置的生產時間從幾個月減少到一週以內設計分束器可能要花上幾天時間,而在他自己的實驗室中進行3D列印只需36小時。用鎳電鍍這種結構只花了一天時間。最後,從電鍍公司來回運送3D打印部件比其他過程所花費的時間還長。

電鍍3D列印件   

     鍍鉻水龍頭、汽車烤架…電鍍零件無處不在:通過電解塗覆鉻,銀或其他高品質金屬,可改善外觀和材料特性,如耐磨性和導電性然而,電鍍塑料是一個挑戰,因為塑料通常不導電,但導電卻是電鍍過程的必要條件。雖然化學預處理可以解決這個問題,但直到21 世紀初,電鍍技術才在一些塑料材料(如ABS)上取得了成功。Osterwalder 向瑞士公司Galvotec 尋求了指導。

        「電鍍其他材料對我來說具有挑戰性」,Galvotec 的創始人Rico Schuhmacher 說。「我花了一年時間對各種塑料材料進行了廣泛的研究和實驗。2012 年,我決定成立塑料電鍍公司。」

        全球僅有少數電鍍公司專門從事快速成型,Galvotec 是瑞士唯一的一家。「Osterwalder 先生的物件必須部分塗層,也就是說有些區域需要電鍍,有些則不需要。通過製造遮罩層,我們成功了」,Schuhmacher 說。「另一個挑戰是阻止兩個表面之間的電接觸,因此我們必須單獨進行塗層處理。」

由瑞士公司Galvotec電鍍的3D列印金屬部件,該公司是世界上為數不多的專門從事金屬塗層快速成型的公司之一。電鍍技術用於改善材料外觀及其性能,如表面機械強度和導電性。

        根據Schuhmacher的說法,電鍍可以廣泛拓寬3D列印的應用範圍。電鍍能夠為3D列印物件帶來的材料特性有:導電性、磁性或電磁性,以及更高的耐磨性和尺寸穩定性。此外,還有一整套裝飾塗層,如金色

 

快捷、靈活、可複製的實驗   

        電鍍3D列印物件仍是一項新興技術,為工程應用領域帶來了顯著效益,此外,Osterwalder還看到了其在科學應用領域的巨大潛力。

      「我們的實驗使用的是真正的機器,有很多管子和泵,使用傳統方法如機械加工或CNC 進行製造非常複雜。其中許多組件可以在更短的時間內進行3D 列印,具有更大的靈活性。」

Osterwalder發現3D列印和電鍍分束器的高質量表面要優於同類機械加工和拋光設備。

 

        科學家確信,將3D列印技術和電鍍技術結合併加以擴展,就可應用於構建過去不可能完成的實驗。展望未來,Osterwalder 並不認為這些優勢受其特定研究的限制。事實上,對他而言,問題不在於如何利用3D 列印分束器,而是如何將其複製到其他實驗中。


        「幾乎在所有研究領域,複製完全相同的實驗對於驗證和進一步研究至關重要。有了3D 列印,我們可以創建一個靈活的系統,就像LEGO(樂高)積木一樣,每個部分都可以3D 列印,也可以複製」,Osterwalder 說。他希望,世界各地的研究機構和實驗室都能通過轉換STL 文件來進行和複製實驗。

 2018-10-31
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