低熔点金属3D打印技术研究与应用分析.pdf
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1、低熔点金属 3D 打印技术研究与应用分析 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( mask deposition)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
2、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
3、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( room temperature vulcanizing,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。
4、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(A1)所示,以 GaIn24.5 为墨水打印的线路 如图3(A2)和3(A5)所示。图 3(A2)和( A5)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(radio frequency identification,RFID)天线分别
5、展示在图 3(B1)和 3(B2) 中,由于采用纸作为基底,这些器件具有很好的柔性,如图3(B3)所示。 图3(A)为纸基电子线路的打印图像及打印线路展示: 电子线路打印过程图像,插图为所打印的弯折电子线路; 用硅橡胶封装的电气线条; 打印的双层金属结构; 打印的纸基线路的三维结构; 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:电 感线圈; RFID天线;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
6、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 5060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 28.94Jg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 393.0Jg和0.88J( g)。 这一特点使得 Bi35In48.6Sn16Zn04墨水在相变过程中较之普通金属吸 放热量更小,从而更易于完成相变。图4所反映的液滴沉积过程为:
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