金屬也能「生長」？新3D列印技術顛覆傳統，打造高強度、低收縮金屬結構！

金屬「生長」而非「印製」：材料科學的新篇章

「我們的研究不僅實現了以可負擔的低成本3D列印工藝製造高品質的金屬和陶瓷，還突顯了增材製造的一個新範例，即材料選擇發生在3D列印之後，而不是之前。」——Daryl Yee, EPFL材料化學與製造實驗室主任

(傳統3D列印的局限): (現有金屬3D列印技術的缺陷，以及科學家如何應對這些挑戰。)


傳統的增材製造（俗稱3D列印）在材料科學領域帶來了革命性的變革。然而，針對金屬材料，現有的「光固化」技術主要依賴於光敏聚合物，應用受到極大限制。雖然有研究嘗試將列印出的聚合物轉化為金屬或陶瓷等更堅固的材料，但這些方法存在著根本性的缺陷。

這些材料往往具有多孔性，大大降低了其強度，而且零件會出現過度收縮，從而導致翹曲變形。

為了解決這些問題，洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究團隊另闢蹊徑，開發出一種全新的金屬製造方法，該方法發表在《先進材料》期刊上。

(水凝膠框架與金屬生長): (透過水凝膠框架和金屬鹽浸泡，實現金屬材料的「生長」。)


不同於直接硬化混合了金屬化合物的樹脂，研究人員首先使用簡單的水基凝膠（稱為水凝膠）3D列印出一個框架。然後，他們將這個「空白」結構浸泡在金屬鹽中，這些金屬鹽會化學轉化為含有金屬的微小奈米粒子，並擴散到整個凝膠中。透過重複這個過程，他們能夠製造出金屬含量非常高的複合材料。

這種方法的巧妙之處在於，金屬材料並非直接列印而成，而是在列印出的水凝膠框架中「生長」出來的。這個過程類似於植物生長，只不過在這裡，金屬取代了植物細胞。

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(「生長週期」與最終產品): (經過多次「生長週期」後，獲得緻密金屬或陶瓷物件的過程。)

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經過5-10個這樣的「生長週期」後，剩餘的水凝膠會透過加熱去除，最終留下一個緻密的金屬或陶瓷物件，其形狀與原始列印的凝膠完全一致。由於金屬鹽是在列印後才添加的，因此同一個水凝膠模板可用於製造各種不同的金屬、陶瓷或複合材料。

這個方法的核心優勢在於，它將材料選擇的步驟延後到了列印之後。這意味著，科學家可以先創建一個通用的框架，然後根據需要選擇不同的金屬鹽來「生長」出不同的材料。

(強度測試與性能優勢): (新方法製造的金屬材料在強度和收縮率方面的顯著優勢。)


為了驗證這種新方法的有效性，研究團隊使用鐵、銀和銅製造了複雜的數學晶格形狀（稱為迴旋體），展示了其製造強大而複雜結構的能力。為了測試材料的強度，他們使用萬能試驗機對迴旋體施加越來越大的壓力。

實驗結果令人振奮：

與先前方法製造的材料相比，我們的材料能夠承受高出20倍的壓力，同時收縮率僅為20%，而先前方法的收縮率為60-90%。

這些數據表明，這種「金屬生長」方法在提高材料強度和降低變形方面具有顯著的優勢。

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(潛在應用與未來展望): (這種新方法在各個領域的潛在應用，以及研究團隊的未來研究方向。)

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這種新技術在需要同時兼顧強度、輕量化和複雜性的先進3D結構製造方面具有特別的應用前景，例如感測器、生物醫學設備或能量轉換和儲存設備。例如，金屬催化劑對於實現將化學能轉化為電能的反應至關重要。其他應用可能包括具有先進冷卻性能的高表面積金屬，用於能源技術。

展望未來，該團隊正致力於改進其製程，以促進工業界的應用，特別是進一步提高材料的密度。另一個目標是提高速度：重複的注入步驟對於生產更強的材料至關重要，但也使得該方法比其他將聚合物轉化為金屬的3D列印技術更耗時。

我們已經在努力透過使用機器人來自動化這些步驟來縮短總處理時間。

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(如何進一步研究): (感興趣的學者可以透過哪些途徑獲取更多資訊。)

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若台灣學者對此技術有更深入研究的興趣，建議可以透過以下途徑獲取更多資訊：

1. 查閱原始論文： 在《先進材料》(Advanced Materials) 期刊上搜尋 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) 團隊發表的相關論文。
2. 關注 EPFL 官方網站： EPFL 的官方網站 (可透過網路搜尋 “EPFL”) 通常會發布最新的研究成果和新聞稿。
3. 搜尋關鍵字： 在學術資料庫中搜尋 “metal growth”、”3D printing”、”hydrogel” 等關鍵字，可以找到更多相關的研究文獻。

希望這項新技術能為台灣的材料科學研究帶來新的啟發。

Ref:

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. (2025, October 10). Scientists grow
metal instead of 3D printing it — and it’s 20x stronger. ScienceDaily. Retrieved
October 10, 2025 from www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251009033209.htm

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Story Source:
Materials provided by Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Note: Content may be edited for style and length.