低熔點金屬3D打印技術(shù)研究與應(yīng)用
3D打印近年來得到了廣泛的關(guān)注和研究，低熔點金屬3D打印技術(shù)在組織工程、微流道、電子線路和器件等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。低熔點金屬有別于傳統(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。小編接下來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(shù)。
一、掩膜沉積制造技術(shù)
掩膜沉積法（maskdeposition）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(jìn)行封裝從而制作柔性器件。嚴(yán)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。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?dāng)_動（D）；由于凹槽內(nèi)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(dǎo)線置于凹槽內(nèi)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）。
二、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(jié)構(gòu)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(jìn)入打印噴頭，打印噴頭的尖端采用的是軟毛刷結(jié)構(gòu)，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(jī)械裝置控制，運動速度程序設(shè)置于教導(dǎo)盒中，根據(jù)需要可在室溫下制造各種3D金屬構(gòu)件。
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（roomtemperaturevulcanizing,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。
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(jié)構(gòu)；
④打印的紙基線路的三維結(jié)構(gòu)；
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。
三、低熔點金屬的液相3D打印技術(shù)
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(zhì)溶液等液相物質(zhì)，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(zhuǎn)變Bi35In48.6Sn16Zn0.4的熔化焓和比熱容分別為28.94J/g和0.262J/(g·℃)，遠(yuǎn)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0.88J/(g·℃)〕。
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