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研究低熔點金屬3D打印技術

來源：南極熊瀏覽數：
責任編輯：傳說的落葉時間：2019-06-19 08:49

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[導讀]這是一種將墨水（如粉末金屬或塑料）按照一定方式逐層打印出來的技術，常用的典型材料包括塑料、陶瓷、高熔點金屬粉末等。

來源：ofweek3D打印網

3D打印是增材制造技術的一種，近年來得到了廣泛的關注和研究。這是一種將墨水（如粉末金屬或塑料）按照一定方式逐層打印出來的技術，常用的典型材料包括塑料、陶瓷、高熔點金屬粉末等。3D打印技術在組織工程、微流道、電子線路和器件等領域有著十分廣泛的應用前景。

有低熔點金屬別于傳統(tǒng)3D打印材料，它是指一大類熔點低于200℃的金屬材料，如鎵基、銦基、鉍基合金等。低熔點金屬尤其是室溫液態(tài)金屬在印刷電子、制作柔性器件方面正顯現(xiàn)獨特的優(yōu)勢。本文介紹了幾種新近出現(xiàn)的基于低熔點金屬墨水的3D打印技術。

掩膜沉積制造技術
掩膜沉積法（mask deposition）是近年來研究較多的一種材料成型方法，圖1為其中1種加工流程。另外，也可以將制成的液態(tài)金屬圖案進行封裝從而制作柔性器件。嚴格地說，這種成型方式還不能算作打印，但的確可通過墨水輸運裝置來實現(xiàn)加工。

圖1 掩膜沉積加工流程

這種掩膜沉積加工步驟為：PDMS掩膜板（A）表面涂覆一層液態(tài)金屬墨水（B）；然后將掩膜板置于真空環(huán)境中（C）并對之擾動（D）；由于凹槽內空氣的排出使得液態(tài)金屬填充其中（E）；掩膜板表面過多的液態(tài)金屬被刮擦除掉（F）；將銅導線置于凹槽內液態(tài)金屬中并將掩膜板放入冰箱（G）；待液態(tài)金屬冷卻，將它從掩膜板中取出（H）。

紙基電子線路的液態(tài)金屬3D打印
紙基電子線路的液態(tài)金屬3D打印指的是可以使用液態(tài)金屬和封裝材料直接在紙（如銅版紙）上制作電子線路或功能器件的一種打印方法，采用這種原理的一種桌面式打印系統(tǒng)及其打印噴頭結構如圖2所示。該系統(tǒng)采用的是氣壓式印刷方法，注射筒中的液態(tài)金屬墨水由此可在氮氣壓力的作用下進入打印噴頭，打印噴頭的尖端采用的是軟毛刷結構，液態(tài)金屬墨水被刷印在基底上。打印噴頭的三維運動由機械裝置控制，運動速度程序設置于教導盒中，根據需要可在室溫下制造各種3D金屬構件。

圖2 桌面式液態(tài)金屬3D打印系統(tǒng)及打印噴頭結構圖

制作紙基電子線路的打印原理如下：首先，在紙面上打印第1層液態(tài)金屬電路，然后將室溫硫化（room temperature vulcanizing,RTV）硅橡膠疊印在液態(tài)金屬電路之上，起到封裝和電氣絕緣的作用。如果需要打印多層電路，可以在封裝層之上再用液態(tài)金屬墨水打印所需線路即可。其打印步驟為：第1步先將液態(tài)金屬打印在紙上；第2步將室溫硫化硅橡膠疊印在第1層液態(tài)金屬電路之上作為封裝材料；第3步將第2層液態(tài)金屬電路疊印在硅橡膠層之上。

打印機運行時的圖像如圖3（A-1）所示，以GaIn24.5為墨水打印的線路如圖3（A-2）和3（A-5）所示。圖3（A-2）和（A-5）展示了以GaIn24.5為墨水打印的線路，依次為用硅橡膠封裝的電氣線條，雙層金屬結構，紙基線路的三維結構，LED電路通電時的狀態(tài)。另外，用這種打印方法還可以方便的制作電子器件，打印的紙基電感線圈和紙基射頻識別（radio frequency identification, RFID）天線分別展示在圖3（B-1）和3（B-2）中，由于采用紙作為基底，這些器件具有很好的柔性，如圖3（B-3）所示。

圖3 用液態(tài)金屬GaIn24.5打印的電子器件

圖3（A）為紙基電子線路的打印圖像及打印線路展示：①電子線路打印過程圖像，插圖為所打印的彎折電子線路；②用硅橡膠封裝的電氣線條；③打印的雙層金屬結構；④打印的紙基線路的三維結構；⑤打印的LED電路通電時的狀態(tài)，圖3（B）為打印的紙基功能器件：①電感線圈；②RFID天線；③打印器件的柔性展示。

低熔點金屬的液相3D打印技術
液相3D打印指的是打印過程在液體環(huán)境中完成的一種制造方法，液體可以是水、無水乙醇、電解質溶液等液相物質，金屬墨水的溫度需低于液體環(huán)境的溫度以保證打印出的物品為固體狀態(tài)。圖4是用Bi35In48.6Sn16Zn0.4作為墨水時的打印沉積過程。Bi35In48.6Sn16Zn0.4是Bi基合金的一種，熔點為58.3℃，密度為7.898g/ cm3，過冷度為2.4℃。由于過冷度較小，墨水在50～60℃之間即可完成液固相的轉變。

Bi35In48.6Sn16Zn0.4的熔化焓和比熱容分別為28.94J/g和0.262J/(g·℃)，遠低于其他普通金屬〔例如鋁的熔化焓和比熱容分別為393.0J/g和0.88 J/(g·℃) 〕。這一特點使得Bi35In48.6Sn16Zn0.4墨水在相變過程中較之普通金屬吸放熱量更小，從而更易于完成相變。圖4所反映的液滴沉積過程為：金屬液態(tài)墨滴下落到已打印物品表面時，墨滴熱量傳遞給打印物表面使其熔化并與墨滴熔融，在溫度較低的液相冷卻環(huán)境下熔融的金屬液體迅速凝固，下落的墨滴即成為已打印物品的一部分，這樣逐滴沉積形成最終的打印物品。

圖4 在無水乙醇冷卻流體中的液滴沉積過程（由A到F）

相比于傳統(tǒng)的空氣冷卻方法，液相流體冷卻具有一些獨特的優(yōu)點。以無水乙醇為例，其熱導率和比熱容分別是干燥空氣的9.27倍和2.41倍，在熔融金屬墨滴凝固時釋放的熱量可以被迅速導走，達到快速冷卻的目的。無水乙醇的密度是干燥空氣的655.02倍，根據阿基米德浮力原理，下落的墨滴在無水乙醇中所受浮力也是在干燥空氣中的655.02倍，因此無水乙醇對下落的液滴起到了緩沖作用。另外，在無水乙醇中完成打印，也避免或減少了熔融液滴的氧化。

未來的液相3D打印機會是什么樣的呢？首先，打印墨水和冷卻流體的材料選擇至關重要，2種材料在密度、粘度、表面張力、熱導率、電導率等方面需要匹配，所有的低熔點金屬，包括鎵基、銦基、鉍基合金等均可選作打印墨水。在打印過程中，冷卻流體的溫度要控制在打印墨水的熔點以下，以保證金屬墨水能夠凝固。為了保證打印效率，可以采用注射泵陣列和注射噴頭陣列結合的辦法，如圖5所示。計算機控制所有注射泵的推進速度，使注射噴頭只需對應打印的位置進行增材過程，以此實現(xiàn)三維沉積。

低熔點金屬的復合打印技術
隨著3D打印技術的發(fā)展，復合式3D打?。╤ybrid 3D printing）功能器件將會是一個發(fā)展趨勢。所謂復合式打印，可以是多種墨水的交互打印，也可以是多種打印方法的結合。例如采用Bi35In48.6Sn16Zn0.4（金屬）和705硅橡膠（非金屬）墨水的復合打印。705硅橡膠是一種耐水無腐蝕，透明絕緣的粘合劑，它可以在常溫下吸收空氣中的水汽固化，通常用作電氣封裝材料。金屬-非金屬打印過程為：首先在基底上用705硅橡膠打印第1層，待其固化后，在其上面用Bi35In48.6Sn16Zn0.4墨水打印第2層金屬結構，隨后再用705硅橡膠打印第3層。充分固化后，將打印物品從基底上取下，得到一種類似三明治的結構。

增加金屬和非金屬打印的層數，可以制作更復雜的結構。金屬-非金屬復合式打印充分利用了金屬機械強度好、導電導熱性強的特點，以及非金屬良好的絕緣性能，從而使得打印的電路可以在一些惡劣的環(huán)境下使用。總的說來，采用復合式打印來制作結構件或功能件具有廣闊的發(fā)展前景。

可植入式生物醫(yī)學電子器件體內3D打印成型技術
可植入式生物醫(yī)學電子器件體內3D打印成型技術是一種以微創(chuàng)方式直接在生物體內目標組織處注射成型的醫(yī)療電子器件制造方法，其成型過程如圖6（A）所示。首先，將生物相容的封裝材料（如明膠）注射到生物組織內固化形成特定結構，再用工具（如注射針頭）在固化的封裝區(qū)域內刺入并拔出以形成電極區(qū)域，最后將導電金屬墨水，絕緣型墨水乃至配套的微/納尺度器件等順次注射后形成目標電子裝置。通過控制微注射器的進針方向，注射部位，注射量，針頭移位及速度這樣的3D打印步驟，可以在目標組織處按預定形狀及功能構建出終端器件。圖6（B）為一個在豬肉組織中注射成型的生物電極，其中液態(tài)金屬為Ga67In20.5Sn12.5合金（熔點約為11 ℃）。

圖7展示了在生物組織內注射成型RFID天線的過程（A）和所制備的3D 液態(tài)金屬RFID天線（B）。采用這種生物體內3D打印成型技術制作的柔性器件以其較高的順應性、適形化，以及微創(chuàng)性與低成本特點顯示出良好的應用前景，在植入式生物醫(yī)用電子技術領域具有重要意義。

圖6 （A）在生物組織中打印制作生物電極

圖7 （A）在生物組織內注射成型RFID天線的過程；（B）所制備的3D 液態(tài)金屬RFID天線

低熔點金屬3D打印技術前景分析
總的說來，發(fā)展以低熔點金屬為墨水的3D打印技術，至關重要的一環(huán)是墨水材料的開發(fā)，如對材料特性包括熔點、粘度、表面張力、電導率、熱導率等，以及墨水與基底材料的相容性、潤濕性等，系統(tǒng)性地進行液態(tài)金屬材料基因組的研究。在打印技術方面，未來的應用將以復合打印為主，如基于液態(tài)金屬的可植入式生物醫(yī)學電子器件的體內3D打印技術，將金屬的導電性和非金屬的絕緣封裝特性結合起來制作柔性器件。采用多種墨水，運用多種打印技術制作電氣系統(tǒng)（如立體電路）、機電器件、功能器件等將會是今后一段時間的發(fā)展趨勢，在制造業(yè)、電子信息、能源和醫(yī)療技術等領域將產生巨大的應用需求，其發(fā)展方興未艾。

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