Описание основных разновидностей технологии ЭХАП (электрохимическое аддитивное производство) или ECAM («Electrochemical Additive Manufacturing» - «Электрохимическое аддитивное производство»)
Введение
Гальваническое осаждение металла известно уже более 150 лет, гальванические покрытия (гальваностегия) давно стали обыденностью. Гальванопластика – изготовление металлических изделий осаждением на формы тоже широко применяется в промышленности. Гальванопластика, кстати – тоже одна из форм аддитивного производства, не имеющего отношения к 3D-печати. Но вот 3D-принтеры для 3D-печати методом гальванического (электрохимического) осаждения еще остаются экзотикой.
Казалось бы – чего проще, берем электрод, и точечно осаждаем метал. Все просто даже для домашнего умельца…
Опытные разработки
Любители
Первым, кто засветился в информационном пространстве со своим сверхдешевым ЭХАП 3D-принтером был аргентинский инженер Гастон Аккарди в 2015 году. Принтер был собран из того, что было под рукой. В качестве печатающей головки использовался «обычный» фломастер, в котором чернила были заменены на электролит.
Корпус фломастера заполнен электролитом и в нем располагается растворимый анод, который служит источником металла. Платформа для построения служит катодом, и на неё осаждается метал. «Фломастер» перемещается относительно платформы для построения, в зависимости от тока осаждается большее или меньшее количеством металла, что позволяет выращивать тонкие детали типа барельефов.
После него в сети проскакивали аналогичные конструкции, но увы, они не получили широкого распространения
Ученые
В 2017 году к идее ЭХАП подключились уже ученые.
"Британские ученые" из Imperial College London провели исследования, их вариант принтера выглядел более «цивильно», но фактически повторял конструкцию и принцип действия принтера Гастона Аккарди, повторяя его главный недостаток – невозможность печати мостов и нависаний.
...невозможность печати мостов и нависаний…
Этот недостаток устранили ученые из Университета Цинциннати 2017 (США) путем введения многоосевого управления электродом:
После этого начались исследования по всему миру, был и предложены новые методы гальванической печати:
MCED (meniscus-confined electrodeposition – электрохимическое осаждение ограниченное мениском)
Тут все просто – у нас сопло, в котором электролит удерживается силами поверхностного натяжения. При опускании сопла – электролит смачивает катод и начинает осаждаться метал в пределах мениска смачивания, при подъеме сопла – осаждение металла прекращается. Сложность возникает при горизонтальных перемещениях – чтобы перемещать мениск по горизонтали сопло необходимо периодически приподнимать сопло, иначе мениск смещается в сторону уже смоченной области.
EHD-RP (electrohydrodynamic redox printing - электрогидродинамическая окислительно-восстановительная печать)
Фактически разновидность струйной печати. Только в качестве чернил – электролит, капли электролита падают на катод и ионы метал в электролите восстанавливается, образую «каплю» металла на поверхности катода (выращиваемого изделия)
fluid FM electrodeposition – жидкостно-силовая микропечать (см. ниже – раздел «промышленные образцы»)
SICM (scanning ion conductance microscopy – сканирующая ионно-проводящая микроскопия),
Технология SICM-микроскопии непосредственное не связана с 3D-печатью, но SICM-микроскоп после доработки может быть использован для различных способов гальванической 3D-печати,
А технология, использованная Гасконом Аккарди получила название LED (localized electrochemical deposition - локализованное электрохимическое осаждение)
Промышленные образцы
Cytosurge и 3D-принтер FluidFM
Технология FluidFM была изначально разработана в 2009 году в Швейцарском федеральном институте технологий в Цюрихе, а позже усовершенствована и коммерциализирована компанией Cytosurge для биотехнологических операций на клеточном уровне. Основа технологии – микропипетка с многоосевым управлением, способная оперировать с отдельными клетками или микроскопическими объемами жидкости.
В 2017 году Cytosurge приспособила платформу FluidFM для 3D-микропечати металлических изделий. В принтере использовалась подвижная пипетка, установленная на упругой консоле, с отверстием 300 нм (0,3 мкм), через которое выходит раствор сульфата меди. Электрод создаёт напряжение на детали под отверстием, которое восстанавливает медь из раствора и позволяет создать твёрдую медную структуру. Проблема мостов и нависаний решается многоосевым управлением пипетки – возможна печать горизонтально и даже с небольшим наклоном вниз.
Попытки заинтересовать промышленность продолжались еще пару лет, и закончилась ничем.
Сама платформа серийно выпускается до сих пор, поставляется в различные страны и может использоваться в самых различных областях, таких, как Коллоидные исследования, Нанолитография и материаловедение, Электрохимия, Локальная химическая модификация, Биология и биофизика отдельных клеток, Микробиология.
Exaddon с системой CERES µAM
Свято место пусто не бывает, и в 2022 году появилась фирма Exaddon с системой микропечати CERES µAM.
Я думаю, всем вам понятно, что это та же система FluidFM, только с переклеенным шильдиком.
Fabric8labs и его прорывная технология
В 2021 году Джефф Херман и Иэн Уинфилд организовали стартап Fabric8labs. Уже в 2022 году им было что показать потенциальным инвесторам:
В 2023 году им удалось привлечь 50 миллионов долларов США инвестиций, к 2024 году объем инвестиций увеличился до 73 миллионов долларов США.
Внешне, по кинематике, аддитивные установки Fabric8labs напоминают фотополимерный принтер с построением снизу-вверх. Разница в том, что вместо фотополимера – непрерывный поток токого слоя электролита, а вместо экрана – матричный нерастворимый анод, состоящий из 215 миллионов пикселей. Подвижная платформа представляет собой катод, на который осаждается медь. При подаче напряжения на «пиксель» анода напротив его на деталь начинает осаждаться медь, за счет большого количества «пикселей» возможно относительно быстрое выращивание детали, т.к. оно идет по всей площади. По мере «роста» детали платформа (катод) поднимается. Возможна печать небольших мостов и нависаний под большими углами за счет того, что зона отложения металла несколько больше размера пикселя.
В результате на установке возможно получать вот такие детали:
Такие установки не продаются (или пока не продаются) - Fabric8labs использует их сама, беря заказы на изготовление деталей. Вероятно это связано с со сложностью эксплуатации, и «грязностью» гальванического производства (работа с химикатами, необходимость утилизации стоков и т.п.)
Заключение
Несмотря на кажущуюся простоту гальваническая 3D-печать, за исключением Fabric8labs, фактически не вышла из стадии экспериментов.
Не в последнюю очередь это связано с «грязностью» процесса, необходимостью утилизации стоков и т.п.
Второе – ограниченность материалов, которые могут быть нанесены гальваникой из водных растворов, сложность нанесения сплавов, сложность осаждения большинства металлов (фактически единственным «беспроблемным» материалом для гальваники является медь).
Третий, и самый важный, на мой взгляд недостаток – медленность. Скорость наращивания измеряется десятками/сотнями мкм в час, что делает процесс медленным даже при использовании «матричного» анода.
Тем не менее – это уже промышленная технология для производства теплообменников, радиаторов для электронных компонентов и аналогичных изделий. Доказано Fabric8labs.
