低熔點(diǎn)金屬3D打印技術(shù)研究

3D打印技術(shù)又被稱(chēng)作為快速成型技術(shù)，它的工作原理是通過(guò)采用數(shù)字模型文件作為核心基礎(chǔ)，然后以粉末狀金屬或者塑料等材料，科學(xué)有效構(gòu)造物體的先進(jìn)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(jì)產(chǎn)業(yè)以及教育產(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)別之處在于所用實(shí)際材料不同，采用不同材料構(gòu)建創(chuàng)建部件。就比如，低熔點(diǎn)金屬3D打印技術(shù)就是以熔點(diǎn)低于200℃的金屬材料作為打印材料，本文將會(huì)介紹當(dāng)前市場(chǎng)上最常出現(xiàn)的幾種基于低熔點(diǎn)技術(shù)墨水的3D打印技術(shù)。

1  低熔點(diǎn)金屬3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其特點(diǎn)

從2002年開(kāi)始我國(guó)中科院?jiǎn)?dòng)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(jì)出了一系列的低熔點(diǎn)金屬3D打印技術(shù)以及配套工藝設(shè)備，并將低熔點(diǎn)金屬3D打印技術(shù)推廣到市場(chǎng)進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用。在市場(chǎng)上已經(jīng)形成了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“夢(mèng)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(gè)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，相關(guān)研究機(jī)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(wèn)題，科學(xué)有效提出了通過(guò)在液相環(huán)境中展開(kāi)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(shí)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(yùn)用的材料主要包括了兩種類(lèi)型，一種是金屬，另一種是非金屬。其中金屬材料有粉末和絲材兩種，非金屬材料有液態(tài)樹(shù)脂、薄膜以及粉末等。3D打印技術(shù)應(yīng)用作為顯著的特點(diǎn)有數(shù)字化制造、高度集成、快速直接以及柔性制造。就比如，在3D打印技術(shù)的柔性制造特征上，工作人員通過(guò)科學(xué)應(yīng)用低熔點(diǎn)金屬3D打印技術(shù)能夠高效準(zhǔn)確打印出自身需求的成形物件，在該物件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，工作人員只需要在終端設(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來(lái)對(duì)應(yīng)形狀的零件模型。

2  常見(jiàn)的幾種低熔點(diǎn)金屬3D打印技術(shù)

2.1  低熔點(diǎn)金屬?gòu)?fù)合式3D打印技術(shù)

當(dāng)前市面廣泛應(yīng)用的3D打印技術(shù)類(lèi)型眾多，其中低熔點(diǎn)金屬?gòu)?fù)合式3D打印技術(shù)就是一種應(yīng)用廣泛的類(lèi)型之一。綜合來(lái)說(shuō)看，復(fù)合式3D打印功能設(shè)備在未來(lái)的3D打印領(lǐng)域中必然擁有廣闊的發(fā)展前景。復(fù)合式3D打印技術(shù)是通過(guò)利用各種墨水交替打印，同時(shí)還可以搭配應(yīng)用不同的打印計(jì)劃。如較為常見(jiàn)的技術(shù)人員通過(guò)將705硅橡膠（非金屬）和Bi35In48.6Sn16Zn0.4（金屬）墨水交互進(jìn)行復(fù)合打印。前者705硅橡膠是一種常見(jiàn)的用來(lái)作為電氣封裝的粘合劑材料，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于耐水無(wú)腐蝕、具有良好絕緣作用，將其應(yīng)用在常溫環(huán)境下能夠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(fù)合打印流程是：首先是要在基底上采用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，就需要運(yùn)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，等到完全固化后工作人員就能夠獲取類(lèi)似三明治結(jié)構(gòu)的物體。打印技術(shù)人員可以適當(dāng)調(diào)控金屬-非金屬的比例，來(lái)控制實(shí)際打印層數(shù)，以科學(xué)有效設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的需求產(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。如下圖1所示，為掩膜沉積制作過(guò)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(yùn)輸設(shè)備來(lái)進(jìn)行材料加工處理。掩膜沉積制造技術(shù)的應(yīng)用工作流程是：（1）在PDMS掩膜板（A）上面涂抹一層液態(tài)金屬墨水（B）；（2）接著工作人員需要將涂上液態(tài)金屬墨水的掩膜版放置于真空狀態(tài)中（C）；并且對(duì)掩膜版進(jìn)行一定程度的攪動(dòng)（D）；（3）由于掩膜版中凹凸區(qū)域中的空氣會(huì)被擠出，液體金屬則能夠隨之填充入內(nèi)（E）；（4）把掩膜版外表剩余的液態(tài)金屬進(jìn)行清潔處理（F）；（5）操作人員將銅導(dǎo)線(xiàn)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(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的冷卻（G）；（6）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(xiàn)性直寫(xiě)3D打印技術(shù)

線(xiàn)性直寫(xiě)作為3D打印技術(shù)中一種實(shí)用技術(shù)為精細(xì)二維電子電路以及復(fù)雜三維金屬結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。尤其是在電子印刷行業(yè)中，伴隨著對(duì)室溫液態(tài)金屬的氧化處理、浸潤(rùn)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(guò)線(xiàn)性直寫(xiě)工藝在各類(lèi)柔性基地上進(jìn)行電路、天線(xiàn)等物體的打印，從而完成能曲折的柔性電子元件制作。線(xiàn)性直寫(xiě)的制作過(guò)程需要將氣壓、活塞等材料作為動(dòng)力源，讓液態(tài)金屬“墨水”能夠從噴頭中流出，以線(xiàn)性流體的形式進(jìn)行打印。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件精準(zhǔn)控制噴頭與基底之間的對(duì)位，以滿(mǎn)足金屬材料在基底打印中的連續(xù)線(xiàn)性沉積。利用液態(tài)金屬自身附帶的表面張力以及氧化層來(lái)保證電子線(xiàn)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(diǎn)金屬液相3D打印技術(shù)

液相3D打印技術(shù)實(shí)質(zhì)是指一種在液體環(huán)境中展開(kāi)3D打印過(guò)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(wú)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(lái)的物件為固體狀態(tài)，就必須首先要做到液體環(huán)境實(shí)際溫度要大于金屬墨水的溫度。如下圖2所示，是通過(guò)運(yùn)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(diǎn)為58.3攝氏度。過(guò)冷度為2.4℃。因?yàn)樵摻饘俚睦鋮s度偏小，促使金屬墨水能夠在50-60℃范圍內(nèi)就可以實(shí)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(guò)程中吸放熱量較小，很容易就能夠完成相變目標(biāo)。如上圖2所示，呈現(xiàn)出來(lái)的就是金屬墨水在無(wú)水乙醇冷卻流體中的液滴沉淀過(guò)程：當(dāng)金屬墨水滴落到已經(jīng)完成打印的物體外表時(shí)，其中的熱量會(huì)進(jìn)一步傳遞到物體上，從而促使物件熔化并與墨滴產(chǎn)生相互融合現(xiàn)象，只要保持在溫度較低無(wú)水乙醇始終處于冷卻環(huán)境，則熔化的金屬液體則會(huì)在最短時(shí)間內(nèi)凝固。在這一情況下滴落至物體表面的墨水也成為了打印物體必不可少的元素，最終一同構(gòu)成了所要打印的物體。相對(duì)傳統(tǒng)低溫環(huán)境下冷卻方式來(lái)說(shuō)，液相流體冷卻技術(shù)具備了一定的優(yōu)勢(shì)。無(wú)水乙醇密度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干燥空氣實(shí)際密度的，也就是說(shuō)無(wú)水乙醇冷卻流體中墨滴的浮力會(huì)大于干燥環(huán)境中的浮力。在這一情況下無(wú)水乙醇對(duì)流體墨滴能夠起到一定的緩沖效果。相關(guān)工作人員通過(guò)在無(wú)水乙醇液體環(huán)境中展開(kāi)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(yǔ)

綜上所述，低熔點(diǎn)金屬3D打印技術(shù)研究應(yīng)用具有良好的市場(chǎng)發(fā)展情景，相關(guān)工作人員要加強(qiáng)對(duì)各種墨水材料深入研究開(kāi)發(fā)，科學(xué)系統(tǒng)地展開(kāi)對(duì)液體金屬材料基因組的改革發(fā)展。在3D打印技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)科技市場(chǎng)上的發(fā)展則必然會(huì)議復(fù)合式打印技術(shù)為重點(diǎn)，如利用液態(tài)金屬進(jìn)行的可植入式生物醫(yī)學(xué)電子元件3D打印技術(shù)，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，獲得良好的應(yīng)用效果。

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