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增材製造(Additive manufacturing，簡稱AM)，也被稱為三維(3D)打印，是第四次工業革命中最重要的技術之一，因為它可以實現產品的個性化和快速原型製作。為了拓展AM的應用範圍，許多研究人員致力於開發3D打印的可打印材料和相應的技術。因此，先進和複雜的打印材料和3D打印技術的發展，加速了AM在各個行業的應用，如航空航天、生物醫學和食品行業。金屬AM的研究也在積極進行，以促進其在各個工業領域的應用。然而，與聚合物AM不同的是，由於打印環境的苛刻條件，金屬AM仍然只適用於工業和學術規模，阻礙了消費者級桌面應用程序的實現。作為突破性技術，人們相繼提出了選擇性激光熔煉和電子束熔煉，但對大功率能源、惰性氣體環境和高溫預熱的打印工藝限制了它們的應用範圍。

粘結劑噴射金屬3D打印(BJM3DP)是一種很有前途的AM技術，它可以選擇性地將液體粘結劑噴射到金屬粉末上，使顆粒之間形成粘結。BJM3DP商業化改造的技術挑戰，仍然涉及克服金屬AM工藝的苛刻條件，包括材料處理、後處理和質量控制。然而，迄今為止，只有少數候選金屬BJ3DP已經被探索，打印物體的孔隙率和機械強度等特徵遠遠低於上述常見的粘結劑材料。因此，目前迫切需要拓寬技術視野，深入開發新型綠色金屬粘結劑，使其既環保又無害，並有可能同時實現打印製品的理想性能。

來自韓國成均館大學的Sae Byeok Jo延世大學的Jeong Ho Cho等研究者，演示了一種適用於粘合噴射金屬3D打印的水基固相粘合劑。相關論文以題為「A general fruit acid chelation route for eco-friendly and ambient 3D printing of metals」發表在Nature Communications上。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27730-6


在此，研究者介紹了一種BJ3MDP的結合機制，該機制是基於使用由天然水果酸鹽組成的螯合劑作為生態友好的結合劑。金屬粒子之間的金屬螯合橋，是通過將水噴墨噴到由均勻的金屬粒子和螯合劑混合而成的粉末上而成功形成的。研究者利用傅里葉紅外光譜(FT-IR)、X射線光電子能譜(XPS)和掃描電鏡(SEM)對金屬-有機絡合機理進行了深入分析。然後，對3D打印的金屬物體進行壓縮測試，以確定其機械強度與螯合劑類型的依賴關係。最後，研究者利用各種金屬打印出各種形狀的物體，這表明所提出的螯合輔助BJM3DP技術，不僅有助於實現複雜複雜的結構，而且也適用於廣泛的金屬粉末。因此，研究者在此提出的環保螯合劑，有望促進綠色金屬3D打印機充分的工業和消費水平規模的應用。

圖1 環保型BJM3DP。

圖2 金屬粒子之間形成金屬螯合橋。

圖3 各種對象3D打印使用NaCit螯合劑。

圖4 後處理工藝和幾種可3D打印金屬。

研究還表明，在Al中觀察到的檸檬酸螯合化學反應，可以擴展到Cu、Fe和Ti - Al6-4V合金中。基於這些方面，所提出的使用環保螯合劑的簡便方法，有望成為促進高親和力、低成本和安全的消費者級桌面金屬3D打印系統發展的基石。（文：水生）
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