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低熔点的3D打印技术简介
作者:地创三维3D打印机 浏览: 发布日期:2018-11-12 10:20

3D打印是一种增材制造技术,近年来受到广泛的关注和研究。这是一种以某种方式逐层打印耗材(例如粉末金属或塑料)的技术。通常使用的典型材料包括塑料,陶瓷,高熔点金属粉末等。3D打印技术在组织工程,微流道,电子电路和设备等领域具有广阔的应用前景。

低熔点金属与传统的3D打印材料不同,它是指熔点低于200℃的大类金属材料,如镓基,铟基,钌基合金,等等。低熔点金属,尤其是室温液态金属,在印刷电子产品和制造柔性设备方面具有独特的优势。本文介绍了几种基于低熔点金属油墨的近期3D打印技术。

掩模沉积制造技术

掩模沉积方法 沉积是近年来研究的材料形成方法。图1显示了一个处理步骤。或者,可以将形成的液态金属图案封装以产生柔性装置。严格地说,该成型方法不算作印刷,但可以通过油墨输送装置进行处理。

图1掩模沉积过程

掩模沉积工艺如下:PDMS掩模(A)的表面涂有一层液态金属油墨(B);然后将掩模置于真空环境(C)中并扰乱(D);凹槽中的空气排出导致液态金属填充在其中(E);刮掉表面上多余的液态金属(F);将铜线置于槽中的液态金属中,并将掩模放入冰箱(G)中;冷却液态金属,将其从面罩(H)中取出。

纸质电子电路的液态金属3D打印

纸基电子电路的液态金属3D打印是指能够使用液态金属和包装材料直接在纸上(例如涂布纸)制造电子电路或功能装置的打印方法。使用此原理的桌面打印方法。该系统及其打印头的结构如图2所示。该系统采用气动打印方法。注射器中的液态金属墨水可以在氮气压力下进入打印喷嘴。印刷喷嘴的尖端采用软刷结构,液态金属油墨印刷在基板上。 。打印头的三维运动由机械装置控制,并且运动速度程序设置在示教器中,并且可以根据需要在室温下制造各种3D金属构件。

图2台式液态金属3D打印系统和打印喷嘴结构图

制造纸基电子电路的印刷原理如下:首先,在纸上印刷第一层液态金属电路,然后将室温硫化(室温) 硫化,RTV)液态金属电路上的硅橡胶套印用于包装和电绝缘。如果需要打印多层电路,可以在封装层顶部用液态金属墨水打印所需的线条。印刷过程如下:第一步是在纸上印刷液态金属;第二步是将室温硫化硅橡胶叠加在第一液态金属电路上作为包装材料;第三步是套印第二层液态金属电路。在硅橡胶层之上。

打印机运行时的图像如图3(A-1)所示,用GaIn 24.5作为墨水印刷的线如图3和图4所示。 3(A-2)和3(A-5)。图3(A-2)和(A-5)显示用GaIn24.5作为油墨印刷的线条,其次是封装在硅橡胶中的电线,双层金属结构,纸张的三维结构基于电路,LED电路通电。时间的状态。此外,这种印刷方法还可用于容易地制造电子器件,印刷纸基电感器和纸基RFID(无线电)。 频率识别, RFID天线分别如图3(B-1)和3(B-2)所示,由于使用纸作为基板,这些装置具有良好的柔韧性,如图3(B-3)所示。

图3用液态金属GaIn24.5印刷的电子器件

图3(A)显示了纸基电子电路的印刷图像和印刷电路:1电子电路印刷工艺图,图中显示了印刷弯曲电子电路; 2电线用硅橡胶封装; 3印刷双层金属结构; 4印刷纸基电路的三维结构; 5电源接通时印刷LED电路,图3(B)是印刷纸基功能装置:1电感线圈; 2 RFID天线; 3柔性显示打印设备。

三,低熔点金属液相3D打印技术

液相3D打印是指在液体环境中完成打印过程的制造过程。液体可以是液体物质,例如水,无水乙醇或电解质溶液。金属油墨的温度需要低于液体环境的温度以确保印刷。该项目是坚实的。图4是当??Bi35In48.6Sn16Zn0.4用作油墨时的印刷沉积过程。 Bi35In48.6Sn16Zn0.4是一种Bi基合金,熔点为58.3°C,密度为7.988 g / Cm3,过冷度为2.4°C。由于低过冷度,油墨可在50和60℃之间转化。

Bi35In48.6Sn16Zn0.4的熔化焓和比热容分别为28.94 J/g和0.262 J /(g·°C),远低于其他普通金属[例如熔化焓和比热容铝的分别为393.0J/g和0.88。 焦耳/(克·℃) ]。这一特性使Bi35In48.6Sn16Zn0.4油墨在相变过程中比普通金属散热更少,这使得更容易完成相变。图4中反映的液滴沉积过程是:当液体液滴落到印刷物品的表面上时,墨滴的热量被转移到印刷品的表面上,以与墨滴熔化并熔化,在较低温度的液相冷却环境中。熔融金属液体快速固化,下落的墨滴成为印刷物品的一部分,从而逐滴沉积形成最终的印刷制品。

图4:在无水乙醇冷却流体(从A到F)中沉积液滴

与常规空气冷却方法相比,液相流体冷却具有一些独特的优点。以无水乙醇为例,其导热系数和比热容分别是干燥空气的9.27倍和2.41倍。在熔融金属墨滴凝固期间释放的热量可以快速引导以实现快速冷却。无水乙醇的密度是干燥空气的655.02倍。根据阿基米德浮力原理,无水乙醇中墨滴的浮力也是干燥空气中的655.02倍,因此绝对乙醇的绝对液滴起着缓冲作用。另外,在无水乙醇中完成印刷,并且还避免或减少熔融液滴的氧化。

液相3D打印机的未来是什么?首先,印刷油墨和冷却液的材料选择至关重要。这两种材料在密度,粘度,表面张力,导热性和导电性方面需要匹配。可以选择低熔点金属,包括镓,铟和铋基合金作为印刷油墨。在印刷过程中,冷却流体的温度被控制在印刷油墨的熔点以下,以确保金属油墨可以固化。为了确保打印效率,可以使用注射泵阵列和注射喷嘴阵列的组合,如图2所示。计算机控制所有注射泵的推进速度,使得注射喷嘴仅需要执行对应于打印位置的添加过程,从而实现三维沉积。

图5未来液体3D打印机的针阵列

四,低熔点金属复合印刷技术

随着3D打印技术的发展,复合3D打印(混合3D 印刷)功能设备将成为一种趋势。所谓的复合印刷可以是多种油墨的交互式印刷,或多种印刷方法的组合。例如,使用Bi35In48.6Sn16Zn0.4(金属)和705硅橡胶(非金属)墨水的复合印刷。 705硅橡胶是一种防水,无腐蚀性,透明的绝缘粘合剂,可在室温下吸收空气中的水分,通常用作电气包装材料。金属非金属印刷工艺如下:首先,用705硅橡胶在基板上印刷第一层,固化后,用Bi35In48.6Sn16Zn0.4油墨在其上印刷第二层金属结构,然后印有705硅橡胶。层3在充分固化后,将印刷制品从基材上除去,以提供夹层状结构。

增加印刷在金属和非金属上的层数允许更复杂的结构。金属 - 非金属复合印刷充分利用金属机械强度,强电导率和非金属良好的绝缘性能,使印刷电路可以在一些恶劣的环境中使用。通常,使用复合印刷来制造结构或功能部件具有广阔的发展前景。

植入式生物医学电子器件3D打印和成型技术

可植入生物医学电子装置的体内3D打印技术是一种医疗电子装置制造方法,以微创方式直接注射成型在生物体内的目标组织上,并且模制过程如图3所示。图6(A)。首先,将生物相容性包封材料(例如明胶)注入生物组织中以形成特定结构,然后将工具(例如注射针)插入并拉出固化的包装区域以形成电极区域最后,导电区域是导电的。依次注入金属油墨,绝缘油墨,甚至微/纳米级器件以形成目标电子器件。通过控制显微注射器的针插入方向,注射部位,注射体积,针位移和速度的3D打印步骤,终端装置可以构造成预定的形状并在靶组织处起作用。图6(B)是在猪肉组织中注塑成型的生物电极,其中液态金属是Ga67In20.5Sn12.5合金(熔点约为11度)。

图7显示了在生物组织(A)和制备的3D中注射成型RFID天线的过程 液态金属RFID天线(B)。使用这种体内3D打印技术制造的柔性装置由于其高顺应性,保形性和微创性和低成本特征而显示出良好的应用前景,并且已经在植入式生物医学电子领域中得到发展。

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图6(A)在生物组织中印刷生物膜

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图7(A)在生物组织中注射成型RFID天线的过程; (B)3D液态金属RFID天线的制备

低熔点金属3D打印技术的前景分析

一般来说,低熔点金属作为油墨的3D打印技术的发展是油墨材料发展的关键部分,如熔点,粘度,表面张力,导电性,导热性等。墨水的相容性利用基质材料,润湿性等,系统地研究液态金属材料的基因组。在印刷技术方面,未来的应用将集中在复合印刷,例如基于液体金属的可植入生物医学电子器件的体内3D印刷技术,结合金属导电性和非金属绝缘包装性能以产生柔韧性。使用各种油墨,使用各种印刷技术生产电气系统(如立体声电路),机电设备,功能设备等将是未来的发展趋势,在制造,电子信息,能源领域和医疗技术有巨大的应用需求,其发展方兴未艾。

 

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