低熔點金屬3D打印技術研究

黎志勇 楊斌 黃永程

【摘 要】隨著我國科學技術的不斷創新、3D打印技術的不斷完善，社會各界人士開始高度關注3D打印技術的應用研究。低熔點金屬3D打印技術被廣泛應用在各個行業領域中，創造出眾多的現實價值。與傳統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打印技術展開分析與探討。

【關鍵詞】低熔點金屬;3D打印技術;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打印技術又被稱作為快速成型技術，它是通過采用數字模型文件作為核心基礎，以粉末狀金屬或者塑料等材料，科學有效地構造物體的先進技術。3D打印技術被廣泛應用在醫療產業、航空航天產業、建筑產業、工業設計產業及教育產業等行業領域中。3D打印有著多元化的技術，不同技術的區別之處在于所用材料不同，采用不同材料創建部件。比如，低熔點金屬3D打印技術是以熔點低于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的幾種基于低熔點技術墨水的3D打印技術。

1 低熔點金屬3D打印技術發展現狀及其特點

從2002年開始，中科院啟動了液態金屬研究，隨著近幾年3D技術的不斷完善發展，以室溫液態金屬作為核心成形材料，深入研發設計出了一系列的低熔點金屬3D打印技術及配套工藝設備，并將低熔點金屬3D打印技術推廣到市場進行創新應用。在市場上已經形成了擁有自主知識產權的“夢之墨”液態金屬3D打印墨水材料及其配套設備產品，該系列產品被廣泛應用在各個行業領域中。3D打印技術在終端功能性電子器件的應用研究方面，相關研究機構根據傳統金屬3D打印技術工作效率低、環境要求高等問題，提出了通過在液相環境中展開金屬3D打印的基礎方法，該方法不僅能夠突破傳統3D打印技術的原有成形范疇，還可以實現終端功能性電子器件在常溫環境下的高效成形。

3D打印技術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，非金屬材料有液態樹脂、薄膜及粉末等。3D打印技術應用最為顯著的特點有數字化制造、高度集成、快速直接及柔性制造。比如，在3D打印技術的柔性制造特征上，工作人員通過科學應用低熔點金屬3D打印技術能夠高效準確打印出所需求的成形物件。在該物件設計開發階段，工作人員只要在終端設備上優化調整數字模型，合理設置相關參數信息，就能夠逐步打印出對應形狀的零件模型。

2 常見的幾種低熔點金屬3D打印技術

2.1 低熔點金屬復合式3D打印技術

當前市面上廣泛應用的3D打印技術類型眾多，其中低熔點金屬復合式3D打印技術就是應用廣泛的類型之一。綜合來看，復合式3D打印功能設備在未來的3D打印領域中必然擁有廣闊的發展前景。復合式3D打印技術是通過利用各種墨水交替打印，同時還可以搭配應用不同的打印計劃。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，其應用優勢在于耐水無腐蝕、具有良好絕緣作用，將其應用在常溫環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構，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構的物體。打印技術人員可以適當調控金屬-非金屬的比例，以控制實際打印層數，科學有效地設計出符合需求的產品結構。

2.2 掩膜沉積制造技術

掩膜沉積制造技術作為一種研究發展較為成熟的材料成型方法，被廣泛應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備進行材料加工處理。掩膜沉積制造技術的應用工作流程：在PDMS掩膜板（A）上面涂抹一層液態金屬墨水（B）;工作人員將涂上液態金屬墨水的掩膜版放置于真空狀態中（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域中的空氣會被擠出，液體金屬則能夠隨之填充入內（E）;把掩膜版外表剩余的液態金屬進行清潔處理（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，在冰箱冷環境下實現液態金屬的冷卻（G）;等到掩膜板上的液態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

線性直寫3D打印技術為精細二維電子電路及復雜三維金屬結構的實現提供了強有力的技術支持。尤其是在電子印刷行業中，伴隨著對室溫液態金屬的氧化處理、浸潤性能等相關性質研究的成熟與發展，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線性沉積。利用液態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

液相3D打印技術實質是指一種在液體環境中展開3D打印過程的加工制造手段，該技術應用所處的液體環境主要涵蓋了無水乙醇、水等不同液相物質。工作人員為了確保利用該技術打印出來的物件為固體狀態，必須做到液體環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。上述一系列物質是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 ℃范圍內就可以實現液固相之間的相互轉化。

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生相互融合的現象，只要保持溫度較低使無水乙醇始終處于冷卻環境，則熔化的金屬液體會在最短時間內凝固。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，最終一同構成了所要打印的物體。相對于傳統低溫環境下冷卻方式，液相流體冷卻技術具備了一定的優勢。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。相關工作人員通過在無水乙醇液體環境中展開3D打印操作，能夠防止熔融液滴產生氧化現象。

3 結語

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

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]