低熔点金属3D打印技术研究

黎志勇 杨斌 黄永程

【摘 要】随着我国科学技术的不断创新、3D打印技术的不断完善，社会各界人士开始高度关注3D打印技术的应用研究。低熔点金属3D打印技术被广泛应用在各个行业领域中，创造出众多的现实价值。与传统3D打印材料相比较，低熔点金属的特征在于其是一种熔点小于200 ℃的金属材料，在当前市场上低熔点金属材料主要包括铟基、镓基及铋基合金等，低熔点金属适用于制作柔性器件、印刷电子。文章对低熔点金属3D打印技术展开分析与探讨。

【关键词】低熔点金属;3D打印技术;研究

【中图分类号】TG665 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）02-0103-02

0 引言

3D打印技术又被称作为快速成型技术，它是通过采用数字模型文件作为核心基础，以粉末状金属或者塑料等材料，科学有效地构造物体的先进技术。3D打印技术被广泛应用在医疗产业、航空航天产业、建筑产业、工业设计产业及教育产业等行业领域中。3D打印有着多元化的技术，不同技术的区别之处在于所用材料不同，采用不同材料创建部件。比如，低熔点金属3D打印技术是以熔点低于200 ℃的金属材料作为打印材料。本文将会介绍当前市场上最常出现的几种基于低熔点技术墨水的3D打印技术。

1 低熔点金属3D打印技术发展现状及其特点

从2002年开始，中科院启动了液态金属研究，随着近几年3D技术的不断完善发展，以室温液态金属作为核心成形材料，深入研发设计出了一系列的低熔点金属3D打印技术及配套工艺设备，并将低熔点金属3D打印技术推广到市场进行创新应用。在市场上已经形成了拥有自主知识产权的“梦之墨”液态金属3D打印墨水材料及其配套设备产品，该系列产品被广泛应用在各个行业领域中。3D打印技术在终端功能性电子器件的应用研究方面，相关研究机构根据传统金属3D打印技术工作效率低、环境要求高等问题，提出了通过在液相环境中展开金属3D打印的基础方法，该方法不仅能够突破传统3D打印技术的原有成形范畴，还可以实现终端功能性电子器件在常温环境下的高效成形。

3D打印技术所运用的材料包括金属和非金属两种类型。其中金属材料有粉末和丝材两种，非金属材料有液态树脂、薄膜及粉末等。3D打印技术应用最为显著的特点有数字化制造、高度集成、快速直接及柔性制造。比如，在3D打印技术的柔性制造特征上，工作人员通过科学应用低熔点金属3D打印技术能够高效准确打印出所需求的成形物件。在该物件设计开发阶段，工作人员只要在终端设备上优化调整数字模型，合理设置相关参数信息，就能够逐步打印出对应形状的零件模型。

2 常见的几种低熔点金属3D打印技术

2.1 低熔点金属复合式3D打印技术

当前市面上广泛应用的3D打印技术类型众多，其中低熔点金属复合式3D打印技术就是应用广泛的类型之一。综合来看，复合式3D打印功能设备在未来的3D打印领域中必然拥有广阔的发展前景。复合式3D打印技术是通过利用各种墨水交替打印，同时还可以搭配应用不同的打印计划。如较为常见的通过将705硅橡胶（非金属）和Bi35In48.6Sn16Zn0.4（金属）墨水交互进行复合打印。前者705硅橡胶是一种常见的用作电气封装的黏合剂材料，其应用优势在于耐水无腐蚀、具有良好绝缘作用，将其应用在常温环境下能够有效吸收空气中的水汽固化。705硅橡胶（非金属）和Bi35In48.6Sn16Zn0.4（金属）的复合打印流程是：先在基底上采用705硅橡胶（非金属）打印作为第一层，直到705硅橡胶完全固化后，再运用Bi35In48.6Sn16Zn0.4（金属）在其上面打印出第二层的金属结构，最后采用705硅橡胶打印最后一层，等到完全固化后就能够获取类似三明治结构的物体。打印技術人员可以适当调控金属-非金属的比例，以控制实际打印层数，科学有效地设计出符合需求的产品结构。

2.2 掩膜沉积制造技术

掩膜沉积制造技术作为一种研究发展较为成熟的材料成型方法，被广泛应用在加工制作各种柔性器件中。掩膜沉积制作过程。虽然这一材料的制作技术与3D打印存在一定的不同，但是工作人员可以利用墨水运输设备进行材料加工处理。掩膜沉积制造技术的应用工作流程：在PDMS掩膜板（A）上面涂抹一层液态金属墨水（B）;工作人员将涂上液态金属墨水的掩膜版放置于真空状态中（C），并对掩膜版进行一定程度的搅动（D）;由于掩膜版中凹凸区域中的空气会被挤出，液体金属则能够随之填充入内（E）;把掩膜版外表剩余的液态金属进行清洁处理（F）;工作人员将铜导线放入掩膜版中含有液态金属的凹槽中，接着将掩膜板端正放在冰箱里面，在冰箱冷环境下实现液态金属的冷却（G）;等到掩膜板上的液态金属完全冷却凝固后，就可以将成型后的材料从掩膜板中有效取出（H）。

2.3 线性直写3D打印技术

线性直写3D打印技术为精细二维电子电路及复杂三维金属结构的实现提供了强有力的技术支持。尤其是在电子印刷行业中，伴随着对室温液态金属的氧化处理、浸润性能等相关性质研究的成熟与发展，在3D打印中将镓铟合金作为打印“墨水”，通过线性直写工艺在各类柔性基地上进行电路、天线等物体的打印，从而完成能曲折的柔性电子元件制作。线性直写的制作过程须将气压、活塞等材料作为动力源，让液态金属“墨水”能够从喷头中流出，以线性流体的形式进行打印。通过计算机软件精准控制喷头与基底之间的对位，以满足金属材料在基底打印中的连续线性沉积。利用液态金属自身附带的表面张力及氧化层来保证电子线路最终打印的稳定性与精确度。最后，将室温硫化处理后的硅橡胶放置于打印完成的电路纸上，完成封装。

2.4 低熔点金属液相3D打印技术

液相3D打印技术实质是指一种在液体环境中展开3D打印过程的加工制造手段，该技术应用所处的液体环境主要涵盖了无水乙醇、水等不同液相物质。工作人员为了确保利用该技术打印出来的物件为固体状态，必须做到液体环境实际温度大于金属墨水的温度。是通过运用BI35In48.6Sn16Zn0.4作为金属墨水的液相3D打印沉积物质。上述一系列物质是Bi基合金的一种，其熔点为58.3 ℃，过冷度为2.4 ℃。因为该金属的冷却度偏小，使金属墨水能够在50～60 ℃范围内就可以实现液固相之间的相互转化。

与一些普通金属相比较，BI35In48.6Sn16Zn0.4金属墨水在相变过程中吸放热量较小，很容易就能够完成相变目标。呈现出来的就是金属墨水在无水乙醇冷却流体中的液滴沉淀过程：当金属墨水滴落到已经完成打印的物体外表时，其中的热量会进一步传递到物体上，从而促使物件熔化并与墨滴产生相互融合的现象，只要保持温度较低使无水乙醇始终处于冷却环境，则熔化的金属液体会在最短时间内凝固。在这一情况下滴落至物体表面的墨水也成为打印物体中必不可少的元素，最终一同构成了所要打印的物体。相对于传统低温环境下冷却方式，液相流体冷却技术具备了一定的优势。无水乙醇密度是远远大于干燥空气实际密度的，也就是说在无水乙醇冷却流体中墨滴的浮力大于在干燥环境中的浮力。在这一情况下无水乙醇对流体墨滴能够起到一定的缓冲效果。相关工作人员通过在无水乙醇液体环境中展开3D打印操作，能够防止熔融液滴产生氧化现象。

3 结语

综上所述，低熔点金属3D打印技术研究应用具有良好的市场发展前景，相关工作人员要加强对各种墨水材料的深入研究开发，科学系统地展开对液体金属材料基因组的改革发展。3D打印技术领域未来科技市场的发展，必然会以复合式打印技术为重点，如利用液态金属进行的可植入式生物医学电子元件3D打印技术，已展现出广泛的应用前景，获得良好的应用效果。

参 考 文 献

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[责任编辑：钟声贤]