研究低熔点金属3D打印

3D打印是增材制造技术的一种，近年来得到了广泛的关注和研究。这是一种将墨水（如粉末金属或塑料）按照一定方式逐层打印出来的技术，常用的典型材料包括塑料、陶瓷、高熔点金属粉末等。3D打印技术在组织工程、微流道、电子线路和器件等领域有着十分广泛的应用前景。

有低熔点金属别于传统3D打印材料，它是指一大类熔点低于200℃的金属材料，如镓基、铟基、铋基合金等。低熔点金属尤其是室温液态金属在印刷电子、制作柔性器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熔点金属墨水的3D打印技术。

一、掩膜沉积制造技术

掩膜沉积法（mask deposition）是近年来研究较多的一种材料成型方法，图1为其中1种加工流程。另外，也可以将制成的液态金属图案进行封装从而制作柔性器件。严格地说，这种成型方式还不能算作打印，但的确可通过墨水输运装置来实现加工。

图1 掩膜沉积加工流程

二、纸基电子线路的液态金属3D打印

纸基电子线路的液态金属3D打印指的是可以使用液态金属和封装材料直接在纸（如铜版纸）上制作电子线路或功能器件的一种打印方法，采用这种原理的一种桌面式打印系统及其打印喷头结构如图2所示。该系统采用的是气压式印刷方法，注射筒中的液态金属墨水由此可在氮气压力的作用下进入打印喷头，打印喷头的尖端采用的是软毛刷结构，液态金属墨水被刷印在基底上。打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制造各种3D金属构件。

图2 桌面式液态金属3D打印系统及打印喷头结构图

打印机运行时的图像如图3（A-1）所示，以GaIn24.5为墨水打印的线路如图3（A-2）和3（A-5）所示。图3（A-2）和（A-5）展示了以GaIn24.5为墨水打印的线路，依次为用硅橡胶封装的电气线条，双层金属结构，纸基线路的三维结构，LED电路通电时的状态。另外，用这种打印方法还可以方便的制作电子器件，打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，这些器件具有很好的柔性，如图3（B-3）所示。

图3 用液态金属GaIn24.5打印的电子器件

图3（A）为纸基电子线路的打印图像及打印线路展示：①电子线路打印过程图像，插图为所打印的弯折电子线路；②用硅橡胶封装的电气线条；③打印的双层金属结构；④打印的纸基线路的三维结构；⑤打印的LED电路通电时的状态，图3（B）为打印的纸基功能器件：①电感线圈；②RFID天线；③打印器件的柔性展示。

Bi35In48.6Sn16Zn0.4的熔化焓和比热容分别为28.94J/g和0.262J/(g·℃)，远低于其他普通金属〔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墨水在相变过程中较之普通金属吸放热量更小，从而更易于完成相变。图4所反映的液滴沉积过程为：金属液态墨滴下落到已打印物品表面时，墨滴热量传递给打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金属液体迅速凝固，下落的墨滴即成为已打印物品的一部分，这样逐滴沉积形成最终的打印物品。

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打印机会是什么样的呢？首先，打印墨水和冷却流体的材料选择至关重要，2种材料在密度、粘度、表面张力、热导率、电导率等方面需要匹配，所有的低熔点金属，包括镓基、铟基、铋基合金等均可选作打印墨水。在打印过程中，冷却流体的温度要控制在打印墨水的熔点以下，以保证金属墨水能够凝固。为了保证打印效率，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打印的位置进行增材过程，以此实现三维沉积。

图5 未来液相3D打印机的针头阵列

四、低熔点金属的复合打印技术

增加金属和非金属打印的层数，可以制作更复杂的结构。金属-非金属复合式打印充分利用了金属机械强度好、导电导热性强的特点，以及非金属良好的绝缘性能，从而使得打印的电路可以在一些恶劣的环境下使用。总的说来，采用复合式打印来制作结构件或功能件具有广阔的发展前景。

五、可植入式生物医学电子器件体内3D打印成型技术

图7展示了在生物组织内注射成型RFID天线的过程（A）和所制备的3D 液态金属RFID天线（B）。采用这种生物体内3D打印成型技术制作的柔性器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前景，在植入式生物医用电子技术领域具有重要意义。

图6 （A）在生物组织中打印制作生物电极

图7 （A）在生物组织内注射成型RFID天线的过程；（B）所制备的3D 液态金属RFID天线

六、低熔点金属3D打印技术前景分析

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