マイクロスケール添加剤製造による金属。微細構造と機械的特性の比較

Metals by Micro-Scale Additive Manufacturing: Comparison of Microstructure and Mechanical Properties.

• Alain Reiser
• Lukas Koch
• Kathleen A Dunn
• Toshiki Matsuura
• Futoshi Iwata
• Ofer Fogel
• Zvi Kotler
• Nanjia Zhou
• Kristin Charipar
• Alberto Piqué
• Patrik Rohner
• Dimos Poulikakos
• Sanghyeon Lee
• Seung Kwon Seol
• Ivo Utke
• Cathelijn van Nisselroy
• Tomaso Zambelli
• Jeffrey M Wheeler
• Ralph Spolenak

抄録

マイクロスケール工学における新たなアプリケーションの多くは、無機材料の3Dアーキテクチャの製造に依存しています。小規模添加剤製造（AM）は、これらの形状への柔軟かつ容易なアクセスを提供することを熱望している。しかし、デバイスグレードの無機材料の合成は、微細加工におけるAMの実装に向けた重要な課題である。ここでは、空間分解能10μm以下を提供するほとんどの最先端のAM法によって作製された金属の微細構造と機械的特性の包括的な概要を提示します。標準化されたサンプルのセットは、断面電子顕微鏡、ナノインデンテーション、およびマイクロ圧縮によって研究されています。現在のマイクロスケールAM技術は、薄膜ナノ結晶材料とよく比較される優れた機械的特性を持つ緻密で結晶性のある微細構造の材料を含む、幅広い範囲の微細構造と弾性と可塑性の特性を持つ金属を合成することが示されている。材料の性能に大きなばらつきがあるのは、個々の微細構造に関連している可能性があり、それは順番に、異なる印刷方法によって利用される様々な物理化学的原理と結びついている。この研究は、小規模な添加剤法のユーザーに実用的なガイドラインを提供し、印刷された金属オブジェクトの特性を将来的に最適化するためのベースラインを確立するものであり、微細加工におけるAM技術の潜在的な確立に向けた重要な一歩となる。

Many emerging applications in microscale engineering rely on the fabrication of 3D architectures in inorganic materials. Small-scale additive manufacturing (AM) aspires to provide flexible and facile access to these geometries. Yet, the synthesis of device-grade inorganic materials is still a key challenge toward the implementation of AM in microfabrication. Here, a comprehensive overview of the microstructural and mechanical properties of metals fabricated by most state-of-the-art AM methods that offer a spatial resolution ≤10 μm is presented. Standardized sets of samples are studied by cross-sectional electron microscopy, nanoindentation, and microcompression. It is shown that current microscale AM techniques synthesize metals with a wide range of microstructures and elastic and plastic properties, including materials of dense and crystalline microstructure with excellent mechanical properties that compare well to those of thin-film nanocrystalline materials. The large variation in materials' performance can be related to the individual microstructure, which in turn is coupled to the various physico-chemical principles exploited by the different printing methods. The study provides practical guidelines for users of small-scale additive methods and establishes a baseline for the future optimization of the properties of printed metallic objects-a significant step toward the potential establishment of AM techniques in microfabrication.

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