旋转增材制造与集成电镀一体化技术

《Advanced Engineering Materials》：Rotary 3D Printing With Integrated Electroplating

　　

材料挤出增材制造能够在单一部件内集成结构材料和导电材料，然而导电聚合物的有限电导率限制了其功能性能。电镀可提高电导率，但传统的后处理方法无法创建完全嵌入式的金属特征。此外，针对圆柱形结构的旋转增材制造，原位电镀仍鲜有探索。本研究提出了一种旋转式聚合物-金属混合增材制造工艺，将局部铜电镀直接集成到基于芯轴的材料挤出平台中。研究人员开发了定制电镀头、自动电解液输送系统和专用G代码框架，以在单一工作流程中同步实现打印、金属化和封装。导电聚乳酸（CPLA）轨迹通过逐体素沉积策略被选择性金属化，随后嵌入介电聚乳酸中。在优化条件下，对应66%体素重叠和两次电镀循环，轨迹电阻从约2300 Ω降至0.1 Ω，电导率提升因子约为23000。微观结构分析表明，铜沉积桥接了长丝界面并形成连续金属通路。嵌入的铜网络进一步用作内部电热元件，以激活拉胀结构和弹簧结构中的形状记忆响应，从而实现了集电气、热和致动功能于一体的整体式圆柱形聚合物-金属架构。

一、研究背景与现存问题

材料挤出增材制造（Material Extrusion Additive Manufacturing）已从快速原型技术发展为多功能制造平台，能够同时沉积具有不同机械、电气、热学和功能特性的材料，从而实现嵌入式传感器和功能器件的直接制造。然而，目前大多数导电特征依赖于导电聚合物（Electrically Conductive Polymers, ECPs），这类材料由填充碳黑、石墨烯或碳纳米管等导电填料的热塑性基体构成。尽管可直接打印导电路径，但其电输运受渗流机制（percolation mechanism）主导，而非连续的金属传导，导致电阻率比块体金属高出数个数量级。此外，层间界面引入了局部高电阻区域，严重限制了导电聚合物在电力传输、电热致动和高性能传感等领域的应用。

为克服这些局限，研究者探索了通过电化学沉积对导电聚合物轨迹进行金属化的方法。电镀可选择性沉积高导电性金属涂层，将电阻降低数个数量级。然而，传统电镀本质上是后处理操作——需将打印件浸入外部电解液槽中，仅能对外部可接触表面进行金属化，无法在后续聚合物层内创建完全嵌入的金属网络。这成为实现真正一体化多功能结构的重大障碍。

此前，本研究的部分作者曾提出一种原位电镀框架，将局部铜电沉积集成到笛卡尔坐标系材料挤出平台中。然而，这种架构在制造圆柱形和旋转对称结构时固有受限：平面分层会产生阶梯效应、各向异性力学性能和几何误差，尤其不适用于软体机器人致动器、生物医学器件、弹簧和超材料等场景。旋转增材制造（Rotary Additive Manufacturing）虽已作为替代方案出现，但至今尚无制造框架能将旋转材料挤出与原位电化学金属化结合，以在圆柱形几何体中创建完全嵌入的金属网络。

二、研究目标与意义

本研究提出一种旋转式聚合物-金属混合增材制造工艺，将局部铜电镀直接集成到基于芯轴（mandrel）的材料挤出平台中。通过定制电镀头、自动电解液输送系统和专用G代码后处理框架，实现旋转打印与电化学沉积的同步协调。导电PLA（CPLA）轨迹经逐体素电镀策略选择性金属化后，被介电PLA包封，从而制造出含有完全嵌入铜路径的一体化圆柱形结构。该研究将原位电镀概念从笛卡尔架构拓展至旋转增材制造领域，为多功能聚合物-金属系统的制造开辟了新途径。

三、关键技术方法

1. 1.
   硬件改造：基于改进的芯轴式旋转材料挤出平台（Snapmaker A250），安装定制电镀头模块，包括弹簧加载铝制电触头、PTFE电解液输送管和直径6 mm球形海绵。海绵同时承担电解液传输、阴阳极离子桥闭合和被动流量调节三重功能。
2. 2.
   自动电解液处理系统（Electrolyte Handling System, EHS） ：采用NEMA-17步进电机驱动注射泵，通过Arduino Uno微控制器控制流速、方向和启停状态。
3. 3.
   专用软件后处理器：基于Python开发，执行两项核心功能：一是将笛卡尔坐标转换为旋转运动（将X坐标转化为B轴旋转），并对有效直径增长进行挤出量动态补偿；二是检测M76暂停指令并插入逐体素电镀序列，包括定位、海绵下降、电解液注入、电化学停留、海绵回缩和移动至下一体素的循环。
4. 4.
   电镀参数优化：在100 mm长、2 mm宽、0.4 mm厚的半圆柱试样上进行系统实验，考察体素重叠率（0%、33%、66%）、每体素停留时间和电镀次数（1次、2次）对电阻的影响，采用四探针法测量电阻。

四、研究结果

3.1 电阻最小化工艺优化

电镀前所有CPLA试样平均电阻约为2300 Ω。增大体素重叠率显著降低电阻：单次电镀条件下，0%重叠时电阻从约620 Ω（50 s/体素）降至约10 Ω（110-130 s/体素）；66%重叠时电阻稳定在0.3-0.4 Ω范围内，电阻降低约99.98%，电导率提升因子约5750。第二次电镀进一步将66%重叠条件下的电阻降至约0.1 Ω，电导率提升因子达约23000，且该值在50-130 s/体素停留时间范围内几乎不变。研究表明，电阻降低取决于铜沉积的总量和空间分布，一旦形成连续低阻金属通路，继续增加停留时间和理论沉积质量的改善效果有限。

3.2 显微分析

扫描电子显微镜（SEM）显示，未打印CPLA呈现典型的熔丝制造形态，具有明显的挤出珠粒和珠间谷地。未优化电镀样品（0%重叠、1次电镀、70 s/体素）可见铜沉积但原始珠粒形态仍清晰可辨，表明铜尚未充分连接相邻珠粒。优化条件（66%重叠、2次电镀、50 s/体素）下，铜覆盖整个导电轨迹，原始长丝结构难以区分，粗糙度剖面从周期性峰谷模式转变为更均匀随机的形态，证明电镀不仅金属化了表面，还充当了形貌平整机制，填充了珠间空隙并增加了有效导电截面积。元素分析发现优化沉积物中存在局部富氧区，可能与铜氧化物形成有关，但并未破坏金属网络的连续性。

3.3 概念验证演示

研究人员制造了拉胀圆筒（auxetic cylinder）和螺旋弹簧两种圆柱形形状记忆结构，其中铜导体完全嵌入聚合物基体内。通入2 A电流3分钟后，嵌入导体产生焦耳热使温度从约18 °C升至62 °C。拉胀圆筒在形状记忆激活后表现出约12°的横向弯曲变形，源于拉胀拓扑将局部热致恢复应变转化为全局弯曲运动。螺旋弹簧则恢复了约12 mm的变形，展示了嵌入铜网络在曲面和柔性结构中的分布式加热能力。这些演示验证了铜通路作为内部能量分配网络实现机械致动的可行性。

五、讨论与结论

本研究成功将原位电镀从常规笛卡尔架构扩展到旋转增材制造领域，实现了含完全嵌入铜网络的圆柱形结构制造。优化工艺将CPLA轨迹电阻从约2300 Ω降至0.1 Ω，电导率提升约23000倍。SEM和粗糙度分析揭示，该改善源于铜在长丝界面上形成连续桥梁，使导电通路从渗流主导的聚合物网络转变为金属主导的导体。嵌入铜网络进一步用作集成电热元件激活形状记忆行为，证明了其超越导电的多功能性。研究人员指出，拉胀圆筒和螺旋弹簧应视为工艺层面的概念验证，未来工作应聚焦于应用驱动的导体布局和圆柱形系统，如集成加热、传感、电磁致动、无线能量传输和结构健康监测等功能。总体而言，本研究建立了在旋转打印圆柱形结构中集成金属通路的制造框架，验证了底层制造原理。