低熔點金屬3D打印技術(shù)研究

黎志勇 楊斌 黃永程

【摘 要】隨著我國科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新、3D打印技術(shù)的不斷完善，社會各界人士開始高度關(guān)注3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究。低熔點金屬3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)領(lǐng)域中，創(chuàng)造出眾多的現(xiàn)實價值。與傳統(tǒng)3D打印材料相比較，低熔點金屬的特征在于其是一種熔點小于200 ℃的金屬材料，在當前市場上低熔點金屬材料主要包括銦基、鎵基及鉍基合金等，低熔點金屬適用于制作柔性器件、印刷電子。文章對低熔點金屬3D打印技術(shù)展開分析與探討。

【關(guān)鍵詞】低熔點金屬;3D打印技術(shù);研究

【中圖分類號】TG665 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）02-0103-02

0 引言

3D打印技術(shù)又被稱作為快速成型技術(shù)，它是通過采用數(shù)字模型文件作為核心基礎(chǔ)，以粉末狀金屬或者塑料等材料，科學有效地構(gòu)造物體的先進技術(shù)。3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、航空航天產(chǎn)業(yè)、建筑產(chǎn)業(yè)、工業(yè)設(shè)計產(chǎn)業(yè)及教育產(chǎn)業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域中。3D打印有著多元化的技術(shù)，不同技術(shù)的區(qū)別之處在于所用材料不同，采用不同材料創(chuàng)建部件。比如，低熔點金屬3D打印技術(shù)是以熔點低于200 ℃的金屬材料作為打印材料。本文將會介紹當前市場上最常出現(xiàn)的幾種基于低熔點技術(shù)墨水的3D打印技術(shù)。

1 低熔點金屬3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其特點

從2002年開始，中科院啟動了液態(tài)金屬研究，隨著近幾年3D技術(shù)的不斷完善發(fā)展，以室溫液態(tài)金屬作為核心成形材料，深入研發(fā)設(shè)計出了一系列的低熔點金屬3D打印技術(shù)及配套工藝設(shè)備，并將低熔點金屬3D打印技術(shù)推廣到市場進行創(chuàng)新應(yīng)用。在市場上已經(jīng)形成了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“夢之墨”液態(tài)金屬3D打印墨水材料及其配套設(shè)備產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)領(lǐng)域中。3D打印技術(shù)在終端功能性電子器件的應(yīng)用研究方面，相關(guān)研究機構(gòu)根據(jù)傳統(tǒng)金屬3D打印技術(shù)工作效率低、環(huán)境要求高等問題，提出了通過在液相環(huán)境中展開金屬3D打印的基礎(chǔ)方法，該方法不僅能夠突破傳統(tǒng)3D打印技術(shù)的原有成形范疇，還可以實現(xiàn)終端功能性電子器件在常溫環(huán)境下的高效成形。

3D打印技術(shù)所運用的材料包括金屬和非金屬兩種類型。其中金屬材料有粉末和絲材兩種，非金屬材料有液態(tài)樹脂、薄膜及粉末等。3D打印技術(shù)應(yīng)用最為顯著的特點有數(shù)字化制造、高度集成、快速直接及柔性制造。比如，在3D打印技術(shù)的柔性制造特征上，工作人員通過科學應(yīng)用低熔點金屬3D打印技術(shù)能夠高效準確打印出所需求的成形物件。在該物件設(shè)計開發(fā)階段，工作人員只要在終端設(shè)備上優(yōu)化調(diào)整數(shù)字模型，合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)信息，就能夠逐步打印出對應(yīng)形狀的零件模型。

2 常見的幾種低熔點金屬3D打印技術(shù)

2.1 低熔點金屬復合式3D打印技術(shù)

當前市面上廣泛應(yīng)用的3D打印技術(shù)類型眾多，其中低熔點金屬復合式3D打印技術(shù)就是應(yīng)用廣泛的類型之一。綜合來看，復合式3D打印功能設(shè)備在未來的3D打印領(lǐng)域中必然擁有廣闊的發(fā)展前景。復合式3D打印技術(shù)是通過利用各種墨水交替打印，同時還可以搭配應(yīng)用不同的打印計劃。如較為常見的通過將705硅橡膠（非金屬）和Bi35In48.6Sn16Zn0.4（金屬）墨水交互進行復合打印。前者705硅橡膠是一種常見的用作電氣封裝的黏合劑材料，其應(yīng)用優(yōu)勢在于耐水無腐蝕、具有良好絕緣作用，將其應(yīng)用在常溫環(huán)境下能夠有效吸收空氣中的水汽固化。705硅橡膠（非金屬）和Bi35In48.6Sn16Zn0.4（金屬）的復合打印流程是：先在基底上采用705硅橡膠（非金屬）打印作為第一層，直到705硅橡膠完全固化后，再運用Bi35In48.6Sn16Zn0.4（金屬）在其上面打印出第二層的金屬結(jié)構(gòu)，最后采用705硅橡膠打印最后一層，等到完全固化后就能夠獲取類似三明治結(jié)構(gòu)的物體。打印技術(shù)人員可以適當調(diào)控金屬-非金屬的比例，以控制實際打印層數(shù)，科學有效地設(shè)計出符合需求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

2.2 掩膜沉積制造技術(shù)

掩膜沉積制造技術(shù)作為一種研究發(fā)展較為成熟的材料成型方法，被廣泛應(yīng)用在加工制作各種柔性器件中。掩膜沉積制作過程。雖然這一材料的制作技術(shù)與3D打印存在一定的不同，但是工作人員可以利用墨水運輸設(shè)備進行材料加工處理。掩膜沉積制造技術(shù)的應(yīng)用工作流程：在PDMS掩膜板（A）上面涂抹一層液態(tài)金屬墨水（B）;工作人員將涂上液態(tài)金屬墨水的掩膜版放置于真空狀態(tài)中（C），并對掩膜版進行一定程度的攪動（D）;由于掩膜版中凹凸區(qū)域中的空氣會被擠出，液體金屬則能夠隨之填充入內(nèi)（E）;把掩膜版外表剩余的液態(tài)金屬進行清潔處理（F）;工作人員將銅導線放入掩膜版中含有液態(tài)金屬的凹槽中，接著將掩膜板端正放在冰箱里面，在冰箱冷環(huán)境下實現(xiàn)液態(tài)金屬的冷卻（G）;等到掩膜板上的液態(tài)金屬完全冷卻凝固后，就可以將成型后的材料從掩膜板中有效取出（H）。

2.3 線性直寫3D打印技術(shù)

線性直寫3D打印技術(shù)為精細二維電子電路及復雜三維金屬結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供了強有力的技術(shù)支持。尤其是在電子印刷行業(yè)中，伴隨著對室溫液態(tài)金屬的氧化處理、浸潤性能等相關(guān)性質(zhì)研究的成熟與發(fā)展，在3D打印中將鎵銦合金作為打印“墨水”，通過線性直寫工藝在各類柔性基地上進行電路、天線等物體的打印，從而完成能曲折的柔性電子元件制作。線性直寫的制作過程須將氣壓、活塞等材料作為動力源，讓液態(tài)金屬“墨水”能夠從噴頭中流出，以線性流體的形式進行打印。通過計算機軟件精準控制噴頭與基底之間的對位，以滿足金屬材料在基底打印中的連續(xù)線性沉積。利用液態(tài)金屬自身附帶的表面張力及氧化層來保證電子線路最終打印的穩(wěn)定性與精確度。最后，將室溫硫化處理后的硅橡膠放置于打印完成的電路紙上，完成封裝。

2.4 低熔點金屬液相3D打印技術(shù)

液相3D打印技術(shù)實質(zhì)是指一種在液體環(huán)境中展開3D打印過程的加工制造手段，該技術(shù)應(yīng)用所處的液體環(huán)境主要涵蓋了無水乙醇、水等不同液相物質(zhì)。工作人員為了確保利用該技術(shù)打印出來的物件為固體狀態(tài)，必須做到液體環(huán)境實際溫度大于金屬墨水的溫度。是通過運用BI35In48.6Sn16Zn0.4作為金屬墨水的液相3D打印沉積物質(zhì)。上述一系列物質(zhì)是Bi基合金的一種，其熔點為58.3 ℃，過冷度為2.4 ℃。因為該金屬的冷卻度偏小，使金屬墨水能夠在50～60 ℃范圍內(nèi)就可以實現(xiàn)液固相之間的相互轉(zhuǎn)化。

與一些普通金屬相比較，BI35In48.6Sn16Zn0.4金屬墨水在相變過程中吸放熱量較小，很容易就能夠完成相變目標。呈現(xiàn)出來的就是金屬墨水在無水乙醇冷卻流體中的液滴沉淀過程：當金屬墨水滴落到已經(jīng)完成打印的物體外表時，其中的熱量會進一步傳遞到物體上，從而促使物件熔化并與墨滴產(chǎn)生相互融合的現(xiàn)象，只要保持溫度較低使無水乙醇始終處于冷卻環(huán)境，則熔化的金屬液體會在最短時間內(nèi)凝固。在這一情況下滴落至物體表面的墨水也成為打印物體中必不可少的元素，最終一同構(gòu)成了所要打印的物體。相對于傳統(tǒng)低溫環(huán)境下冷卻方式，液相流體冷卻技術(shù)具備了一定的優(yōu)勢。無水乙醇密度是遠遠大于干燥空氣實際密度的，也就是說在無水乙醇冷卻流體中墨滴的浮力大于在干燥環(huán)境中的浮力。在這一情況下無水乙醇對流體墨滴能夠起到一定的緩沖效果。相關(guān)工作人員通過在無水乙醇液體環(huán)境中展開3D打印操作，能夠防止熔融液滴產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。

3 結(jié)語

綜上所述，低熔點金屬3D打印技術(shù)研究應(yīng)用具有良好的市場發(fā)展前景，相關(guān)工作人員要加強對各種墨水材料的深入研究開發(fā)，科學系統(tǒng)地展開對液體金屬材料基因組的改革發(fā)展。3D打印技術(shù)領(lǐng)域未來科技市場的發(fā)展，必然會以復合式打印技術(shù)為重點，如利用液態(tài)金屬進行的可植入式生物醫(yī)學電子元件3D打印技術(shù)，已展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，獲得良好的應(yīng)用效果。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]