A impressão quadridimensional (4-D) pode criar geometrias 3-D complexas que reagem a estímulos ambientais, abrindo novas oportunidades de design na ciência dos materiais. A grande maioria das abordagens de impressão 4-D usa materiais poliméricos, que limitam a temperatura operacional durante o processo de engenharia. Em um estudo recente, Xiaolong Chen e colegas de trabalho na Escola de Design e Engenharia Dyson, Departamento de Ciências da Terra e Engenharia e Departamento de Materiais do Imperial College de Londres, REINO UNIDO., desenvolveu uma nova impressora 3D eletroquímica multimetal. O dispositivo foi capaz de construir geometrias bimetálicas depositando seletivamente diferentes metais com comportamento reativo à temperatura programado na estrutura impressa. No estudo, eles demonstraram uma abordagem de impressão 3-D eletroquímica confinada ao menisco usando um design de cabeça de impressão múltipla e materiais de níquel e cobre como exemplos, a capacidade pode ser transferida para outras soluções de deposição. Os resultados agora são publicados em Relatórios Científicos .

Fabricação aditiva (AM), popularmente conhecido como impressão 3-D, pode fabricar arquiteturas 3-D complexas unindo materiais em sequência, camada por camada. A flexibilidade do AM agora encontrou aplicações no setor aeroespacial, automotivo, indústrias médicas e de energia. Inicialmente, Aplicações AM focadas no uso de polímeros para facilitar a consolidação, seja por fotopolimerização (estereolitografia) ou processos térmicos (como modelagem por deposição fundida:FDM). Contudo, a crescente aceitação do AM baseado em metal agora fez a transição da tecnologia de uma ferramenta de prototipagem para produtos finais de engenharia. As principais tecnologias utilizadas para aplicações práticas incluem:

1. Sinterização direta a laser
2. Derretimento por feixe de elétrons
3. Diminuição da deposição de energia, e
4. FDM usando um filamento de polímero preenchido com metal.

A maioria desses métodos usou apenas um único material, enquanto os esforços de pesquisa em andamento visam expandir os métodos para incluir capacidades multimateriais. A principal desvantagem dos métodos anteriores para engenharia de múltiplos materiais à base de metal foi o alto custo de capital do experimento e os riscos de segurança associados com o uso de lasers de alta potência, pós de metal e tratamento térmico de alta temperatura.

A manufatura de aditivos eletroquímicos (ECAM) é uma técnica relativamente nova de AM de metal que pode integrar a deposição eletroquímica localizada de íons metálicos de soluções eletrolíticas para criar estruturas metálicas. ECAM é vantajoso porque elimina processos térmicos para oferecer um sistema mais seguro a um custo menor, embora os desafios em torno da velocidade de deposição ainda precisam ser superados. Uma nova possibilidade de design inclui impressão 4-D para criar estruturas de automontagem e autorregulação que podem mudar de forma devido a estímulos ambientais, como temperatura, umidade ou luz. Estruturas 4-D são comumente fabricadas sintetizando materiais ativos com propriedades responsivas à temperatura para controlar as condições de limite térmico e alcançar formas temporárias.

As abordagens existentes de impressão 3D multi-metal são baseadas termicamente, onde um pó ou arame soprado é alimentado em uma poça de fusão criada por um laser em um ambiente inerte. Uma vez que os metais têm temperaturas de fusão mais altas em comparação com os polímeros, é possível criar estruturas 4-D com temperaturas de operação mais altas e resistência mecânica com metal. Contudo, os pesquisadores ainda não desenvolveram uma impressora metálica multimaterial de baixo custo. No presente trabalho, Chen et al. apresentou uma nova abordagem baseada em ECAM para criar estruturas multi-metálicas com alta resolução e baixo custo. Como exemplos dos méritos da abordagem, os cientistas demonstraram programado, respostas mecânicas a estímulos térmicos pela construção de tiras bimetálicas de cobre-níquel.

O novo trabalho seguiu experimentos anteriores conduzidos pela mesma equipe de pesquisa. No presente estudo, eles relataram técnicas de caracterização das tiras bimetálicas de cobre-níquel impressas, incluindo condutividade elétrica e morfologia de superfície usando técnicas padrão de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e tomografia computadorizada de raios-X (XCT). Os cientistas converteram uma impressora FDM 3-D comercial em uma impressora 3-D eletroquímica multi-metálica de baixo custo. A configuração continha duas seringas; cada um com eletrólito de sulfato de cobre (azul) e o eletrólito de sulfato de níquel (verde). Eles então inseriram dois fios de cobre no conjunto da seringa de eletrólito de sulfato de cobre; um como contra-eletrodo e outro como referência. A seringa de solução de níquel era semelhante em composição, com espumas de níquel no lugar de fios de cobre. Os movimentos da configuração eram controlados por computador.

Durante a fabricação, Chen et al. encheu uma seringa com eletrólito para deposição, enquanto o outro permaneceu vazio para evitar a mistura indesejável das soluções eletrolíticas. Na primeira fase, eles depositaram uma camada de cobre do eletrólito de sulfato de cobre aquoso para formar um menisco eletrolítico estável entre o bico e o substrato. Os cientistas então usaram um potenciostato para aplicar um potencial constante e reduzir o Cu ²⁺ íons no eletrólito para cobre metálico no substrato. No presente trabalho, Chen et al. usou uma ponta de nanofibra eletrofiada para facilitar o processo. Depois de depositar a camada de cobre, os cientistas depositaram de forma semelhante uma camada de níquel e obtiveram imagens SEM dos materiais.

Os cientistas observaram uma interface clara entre as superfícies de níquel e cobre, onde ambas as camadas metálicas apresentaram morfologia policristalina ou nanocristalina. As superfícies também continham um formato convexo devido à maior densidade de corrente de reação durante a deposição com base no bico. Para investigar as propriedades termo-mecânicas das tiras bimetálicas impressas, eles colocaram as amostras em um leito aquecido com um componente fixo e o outro livre para se movimentar. Chen et al. em seguida, aumentou a temperatura de 50 ⁰ C a 300 ⁰ C e colocou uma câmera acima das amostras para visualizar o grau de deslocamento. Devido aos diversos coeficientes de expansão térmica de cobre e níquel, os cientistas observaram a deformação mecânica dos materiais, gerar tensões internas nas camadas metálicas fortemente ligadas na interface. Para detectar o ângulo de deformação, eles ajustaram as imagens adquiridas a um círculo e deduziram o raio de curvatura usando o software MATLAB.

As principais variáveis ​​de projeto que afetaram o raio de curvatura das tiras bimetálicas incluíram a espessura da camada, Módulo de Young e o coeficiente de expansão térmica das duas camadas, conforme derivados no estudo. Os cientistas mediram os ângulos de curvatura para diferentes composições de tiras bimetálicas de Cu-Ni em diferentes temperaturas e caracterizaram as amostras com reconstruções XCT, Micrografias SEM e mapeamento EDS na interface do material. Chen et al. mediu a condutividade elétrica das tiras bimetálicas e implementou um circuito elétrico simples acionado pela tira bimetálica impressa. As amostras bimetálicas impressas podem funcionar em ambientes de alta temperatura, conforme observado com o circuito simples. Quando os cientistas aumentaram a temperatura para 300 ⁰ C, a tira bimetálica Cu-Ni dobrada, fechando a energia para o LED e mostrando sua capacidade de sentir o ambiente, abrindo novas possibilidades para estruturas impressas 3-D mais inteligentes.

Desta maneira, Chen et al. desenvolveu uma nova impressora 3-D eletroquímica para projetar multi-metal (cobre e níquel) responsivo à temperatura, Estruturas 4-D. Eles caracterizaram a interface fortemente ligada de Cu-Ni e programaram o ângulo de ligação dos materiais após a exposição à temperatura. Como prova de conceito, eles construíram um circuito simples de detecção de temperatura e projetaram estruturas de interesse baseadas em estímulos térmicos. Os resultados demonstraram o primeiro relatado, baixo custo, Abordagem de impressão 3D multi-metal para criar estruturas 4-D de alta temperatura. A pesquisa abrirá novas possibilidades para criar sistemas inteligentes e complexos, Arquiteturas metálicas de automontagem / atuação 4-D e sensores em altas temperaturas usando componentes baratos e vários materiais.

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