低熔点金属3D打印技术研究与应用

 3D打印近年来得到了广泛的关注和研究，低熔点金属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。低熔点金属有别于传统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。小编接下来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（maskdeposition）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。这种掩膜沉积加工步骤为：PDMS掩膜板（A）表面涂覆一层液态金属墨水（B）；然后将掩膜板置于真空环境中（C）并对之扰动（D）；由于凹槽内空气的排出使得液态金属填充其中（E）；掩膜板表面过多的液态金属被刮擦除掉（F）；将铜导线置于凹槽内液态金属中并将掩膜板放入冰箱（G）；待液态金属冷却，将它从掩膜板中取出（H）。

    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。

    制作纸基电子线路的打印原理如下：首先，在纸面上打印第1层液态金属电路，然后将室温硫化（roomtemperaturevulcanizing,RTV）硅橡胶叠印在液态金属电路之上，起到封装和电气绝缘的作用。如果需要打印多层电路，可以在封装层之上再用液态金属墨水打印所需线路即可。其打印步骤为：第1步先将液态金属打印在纸上；

    第2步将室温硫化硅橡胶叠印在第1层液态金属电路之上作为封装材料；

    第3步将第2层液态金属电路叠印在硅橡胶层之上。

    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（radiofrequencyidentification,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（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。

 三、低熔点金属的液相3D打印技术

    液相3D打印指的是打印过程在液体环境中完成的一种制造方法，液体可以是水、无水乙醇、电解质溶液等液相物质，金属墨水的温度需低于液体环境的温度以保证打印出的物品为固体状态。图4是用Bi35In48.6Sn16Zn0.4作为墨水时的打印沉积过程。Bi35In48.6Sn16Zn0.4是Bi基合金的一种，熔点为58.3℃，密度为7.898g/cm3，过冷度为2.4℃。由于过冷度较小，墨水在50～60℃之间即可完成液固相的转变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0.88J/(g·℃)〕。