科学研究低沸点合金3D列印控制技术

3D列印是involves锻造控制技术的一类，近几年获得了广为的高度关注和科学研究。这是一类将油墨（如粉末状合金或塑胶）依照很大形式逐级列印出的控制技术，常见的众所周知金属材料主要包括塑胶、陶瓷器、高沸点合金粉末状等。3D列印控制技术在组织机构工程建设、微流道、电子线路和电子元件等应用领域有著极为广为的应用应用领域发展前景。

有低沸点合金真藓科青藓现代3D列印金属材料，它是指一大类沸点低于200℃的合金金属材料，如镓基、铟基、铋基合金等。低沸点合金尤其是室温液态合金在印刷电子、制作柔性电子元件方面正显现独特的优势。本文介绍了几种新近出现的基于低沸点合金油墨的3D列印控制技术。

一、掩膜沉积锻造控制技术

掩膜沉积法（mask deposition）是近几年科学研究较多的一类金属材料成型方法，图1为其中1种加工流程。另外，也可以将制成的液态合金图案进行封装从而制作柔性电子元件。严格地说，这种成型形式还不能算作列印，但的确可通过油墨输运装置来实现加工。

图1 掩膜沉积加工流程

二、纸基TNUMBERFK的液态合金3D列印

纸基TNUMBERFK的液态合金3D列印指的是可以使用液态合金和封装金属材料直接在纸（如铜版纸）上制作TNUMBERFK或功能电子元件的一类列印方法，采用这种原理的一类桌面式列印系统及其列印喷头结构如图2所示。该系统采用的是气压式印刷方法，注射筒中的液态合金油墨由此可在氮气压力的作用下进入列印喷头，列印喷头的尖端采用的是软毛刷结构，液态合金油墨被刷印在基底上。列印喷头的三维运动由机械装置控制，运动速度程序设置于教导盒中，根据需要可在室温下锻造各种3D合金构件。

图2 桌面式液态合金3D列印系统及列印喷头结构图

列印机运行时的图像如图3（A-1）所示，以GaIn24.5为油墨列印的线路如图3（A-2）和3（A-5）所示。图3（A-2）和（A-5）展示了以GaIn24.5为油墨列印的线路，依次为用硅橡胶封装的电气线条，双层合金结构，纸基线路的三维结构，LED电路通电时的状态。另外，用这种列印方法还可以方便的制作电子电子元件，列印的纸基电感线圈和纸基射频识别（radio frequency identification,RFID）天线分别展示在图3（B-1）和3（B-2）中，由于采用纸作为基底，这些电子元件具有很好的柔性，如图3（B-3）所示。

图3 用液态合金GaIn24.5列印的电子电子元件

图3（A）为纸基TNUMBERFK的列印图像及列印线路展示：①TNUMBERFK列印过程图像，插图为所列印的弯折TNUMBERFK；②用硅橡胶封装的电气线条；③列印的双层合金结构；④列印的纸基线路的三维结构；⑤列印的LED电路通电时的状态，图3（B）为列印的纸基功能电子元件：①电感线圈；②RFID天线；③列印电子元件的柔性展示。

Bi35In48.6Sn16Zn0.4的熔化焓和比热容分别为28.94J/g和0.262J/(g·℃)，远低于其他普通合金〔例如铝的熔化焓和比热容分别为393.0J/g和0.88 J/(g·℃) 〕。这一特点使得Bi35In48.6Sn16Zn0.4油墨在相变过程中较之普通合金吸放热量更小，从而更易于完成相变。图4所反映的液滴沉积过程为：合金液态墨滴下落到已列印物品表面时，墨滴热量传递给列印物表面使其熔化并与墨滴熔融，在温度较低的液相冷却环境下熔融的合金液体迅速凝固，下落的墨滴即成为已列印物品的一部分，这样逐滴沉积形成最终的列印物品。

图4 在无水乙醇冷却流体中的液滴沉积过程（由A到F）

未来的液相3D列印机会是什么样的呢？首先，列印油墨和冷却流体的金属材料选择至关重要，2种金属材料在密度、粘度、表面张力、热导率、电导率等方面需要匹配，所有的低沸点合金，主要包括镓基、铟基、铋基合金等均可选作列印油墨。在列印过程中，冷却流体的温度要控制在列印油墨的沸点以下，以保证合金油墨能够凝固。为了保证列印效率，可以采用注射泵阵列和注射喷头阵列结合的办法，如图5所示。计算机控制所有注射泵的推进速度，使注射喷头只需对应列印的位置进行involves过程，以此实现三维沉积。

图5 未来液相3D列印机的针头阵列

四、低沸点合金的复合列印控制技术

增加合金和非合金列印的层数，可以制作更复杂的结构。合金-非合金复合式列印充分利用了合金机械强度好、导电导热性强的特点，以及非合金良好的绝缘性能，从而使得列印的电路可以在一些恶劣的环境下使用。总的说来，采用复合式列印来制作结构件或功能件具有广阔的发展发展前景。

五、可植入式生物医学电子电子元件体内3D列印成型控制技术

图7展示了在生物组织机构内注射成型RFID天线的过程（A）和所制备的3D 液态合金RFID天线（B）。采用这种生物体内3D列印成型控制技术制作的柔性电子元件以其较高的顺应性、适形化，以及微创性与低成本特点显示出良好的应用应用领域发展前景，在植入式生物医用电子控制技术应用领域具有重要意义。

图6 （A）在生物组织机构中列印制作生物电极

图7 （A）在生物组织机构内注射成型RFID天线的过程；（B）所制备的3D 液态合金RFID天线

六、低沸点合金3D列印控制技术发展前景分析

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