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2017年2月24日 星期五

Metal 3D Printing: The making of 'Awareness'.



来源: 南极熊

3D列印近年來得到了廣泛的關注和研究,低熔點金屬3D列印技術在組織工程、微流道、電子線路和器件等領域,有著十分廣泛的應用前景。

低熔點金屬有別於傳統3D列印材料它是指一大類熔點低於200℃的金屬材料,如鎵基、銦基、鉍基合金等。

低熔點金屬尤其是室溫液態金屬,在印刷電子、製作柔性器件方面,正顯現獨特的優勢。小編接下來介紹了幾種,新近出現的基於低熔點金屬墨水的3D列印技術。

低熔点金属3D打印技术研究与应用

一、掩膜沈積製造技術 
掩膜沈積法(mask deposition)  是近年來研究較多的一種材料成型方法,圖1為其中1種加工流程。另外,也可以將製成的液態金屬圖案進行封裝從而製作柔性器件。

嚴格地說,這種成型方式還不能算作列印,但的確可通過墨水輸運裝置來實現加工。 這種掩膜沈積加工步驟為:PDMS掩膜板(A)表面塗覆一層液態金屬墨水(B);然後將掩膜板置於真空環境中(C)並對之擾動(D);由於凹槽內空氣的排出使得液態金屬填充其中(E);掩膜板表面過多的液態金屬,被刮擦除掉(F);將銅導線置於凹槽內液態金屬中,並將掩膜板放入冰箱(G);待液態金屬冷卻,將它從掩膜板 中取出(H)。

低熔点金属3D打印技术研究与应用

二、紙基電子線路的液態金屬3D列印 
紙基電子線路的液態金屬3D列印,指的是可以使用液態金屬,和封裝材料,直接在紙(如銅版紙)上製作電子線路,或功能器件的一種列印方法,採用這種原理的一種桌面式列印系統,及其列印噴頭結構如圖2所示。

該系統採用的是氣壓式印刷方法,注射筒中的液態金屬墨水,由此可在氮氣壓力的作用下,進入列印噴頭,列印噴頭的尖端,採用的是軟毛刷結構,液態金屬墨水被刷印在基底上。列印噴頭的三維運動,由機械裝置控制,運動速度程序設置於教導盒中,根據需要可在室溫下,製造各種3D金屬構件。

低熔点金属3D打印技术研究与应用

製作紙基電子線路的列印原理如下:首先,在紙面上列印第1層液態金屬電路,然後將室溫硫化(room temperature vulcanizing,RTV)矽橡膠疊印在液態金屬電路之上,起到封裝和電氣絕緣的作用。如果需要列印多層電路,可以在封裝層之上,再用液態金屬墨水列印所需線路即可。其列印步驟為:
第1步先將液態金屬列印在紙上;

第2步將室溫硫化矽橡膠,疊印在第1層液態金屬電路之上,作為封裝材料;

第3步將第2層液態金屬電路疊印在矽橡膠層之上。
低熔点金属3D打印技术研究与应用

列印機運行時的圖像如圖3(A-1)所示,以GaIn24.5為墨水列印的線路如圖3(A-2)和3(A-5)所示。圖3(A-2)和(A-5)展示了以GaIn24.5為墨水列印的線路,依次為用矽橡膠封裝的電氣線條,雙層金屬結構,紙基線路的三維結構,LED電路通電時的狀態。

另外,用這種列印方法,還可以方便的製作電子器件,列印的紙基電感線圈,和紙基射頻辨識(radio frequency identification,RFID)天線分別展示在圖3(B-1)和3(B-2)中,由於採用紙作為基底,這些器件具有很好的柔性,如圖3(B-3)所示。圖3(A)為紙基電子線路的列印圖像,及列印線路展示:

①電子線路列印過程圖像,插圖為所列印的彎折電子線路;

②用矽橡膠封裝的電氣線條;

③列印的雙層金屬結構;

④列印的紙基線路的三維結構;

⑤列印的LED電路通電時的狀態,圖3(B)為列印的紙基功能器件:①電感線圈;②RFID天線;③列印器件的柔性展示。

三、低熔點金屬的液相3D列印技術 
液相3D列印指的是列印過程,在液體環境中完成的一種製造方法,液體可以是水、無水乙醇、電解質溶液等液相物質,金屬墨水的溫度需,低於液體環境的溫度,以保證列印出的物品為固體狀態。

圖4是用Bi35In48.6Sn16Zn0.4作為墨水時的列印沈積過程。

Bi35In48.6Sn16Zn0.4是Bi基合金的一種,熔點為58.3℃,密度為7.898g/cm3,過冷度為2.4℃。由於過冷度較小,墨水在 50~60℃之間,即可完成液固相的轉變Bi35In48.6Sn16Zn0.4的熔化焓,和比熱容分別為28.94J/g,和0.262J/(g·℃),遠低於其他普通金屬〔例如鋁的熔化焓和比熱容分別為393.0J/g和0.88J/(g·℃)〕。

低熔点金属3D打印技术研究与应用

這一特點使得Bi35In48.6Sn16Zn0.4墨水在相變過程中,較之普通金屬吸放熱量更小,從而更易於完成相變。

圖4所反映的液滴沈積過程為:金屬液態墨滴下落到,已列印物品表面時,墨滴熱量傳遞給列印物表面,使其熔化並與墨滴熔融,在溫度較低的液相冷卻環境下,熔融的金屬液體迅速凝固,下落的墨滴,即成為已列印物品的一部分,這樣逐滴沈積,形成最終的列印物品。 

相比於傳統的空氣冷卻方法,液相流體冷卻具有一些獨特的優點。以無水乙醇為例,其熱導率和比熱容,分別是乾燥空氣的9.27倍和2.41倍,在熔融金屬墨滴凝固時,釋放的熱量可以被迅速導走,達到快速冷卻的目的。

無水乙醇的密度是乾燥空氣的655.02倍,根據阿基米德浮力原理,下落的墨滴在無水乙醇中,所受浮力也是在乾燥空氣中的655.02倍,因此無水乙醇對下落的液滴,起到了緩衝作用。另外,在無水乙醇中完成列印,也避免或減少了熔融液滴的氧化。

低熔点金属3D打印技术研究与应用

未來的液相3D列印機會是什麼樣的呢?首先,列印墨水和冷卻流體的材料選擇至關重要,2種材料在密度、粘度、表面張力、熱導率、電導率等方面需要匹配,所有的低熔點金屬,包括鎵基、銦基、鉍基合金等,均可選作列印墨水。

在列印過程中,冷卻流體的溫度,要控制在列印墨水的熔點以下,以保證金屬墨水能夠凝固。為了保證列印效率,可以採用注射泵陣列,和注射噴頭陣列結合的辦法,如圖5所示。

電腦控制所有注射泵的推進速度,使注射噴頭只需對應列印的位置,進行增材過程,以此實現三維沈積。

四、低熔點金屬的複合列印技術 
隨著3D列印技術的發展,複合式3D列印(hybrid 3D printing)功能器件,將會是一個發展趨勢。

所謂複合式列印,可以是多種墨水的交互列印,也可以是多種列印方法的結合。

例如採用Bi35In48.6Sn16Zn0.4(金屬)和705 矽橡膠(非金屬)墨水的複合列印。705矽橡膠是一種耐水無腐蝕,透明絕緣的粘合劑,它可以在常溫下,吸收空氣中的水汽固化,通常用作電氣封裝材料。

金屬-非金屬列印過程為:首先在基底上,用705矽橡膠列印第1層,待其固化後,在其上面用Bi35In48.6Sn16Zn0.4墨水列印第2層金屬結構,隨後再用705矽橡膠列印第3層。

充分固化後,將列印物品從基底上取下,得到一種類似三明治的結構。 增加金屬和非金屬列印的層數,可以製作更複雜的結構。

金屬-非金屬複合式列印,充分利用了金屬機械強度好、導電導熱性強的特點,以及非金屬良好的絕緣性能,從而使得列印的電路,可以在一些惡劣的環境下使用。總的說來,採用複合式列印來製作結構件,或功能件具有廣闊的發展前景。

五、可植入式生物醫學電子器件體內3D列印成型技術
可植入式生物醫學電子器件,體內3D列印成型技術,是一種以微創方式,直接在生物體內目標組織處,注射成型的醫療電子器件製造方法,其成型過程如圖6(A)所示。

低熔点金属3D打印技术研究与应用

首先,將生物相容的封裝材料(如明膠),注射到生物組織內,固化形成特定結構,再用工具(如注射針頭)在固化的封裝區域內,刺入並拔出以形成電極區域,最後將導電金屬墨水、絕緣型墨水,乃至配套的微/納尺度器件等,順次注射後,形成目標電子裝置。

透過控制微注射器的進針方向,注射部位,注射量,針頭移位及速度這樣的3D列印步驟,可以在目標組織處,按預定形狀及功能,建構出終端器件。圖6(B)為一個在豬肉組織中,注射成型的生物電極,其中液態金屬為Ga67In20.5Sn12.5合金(熔點約為11℃)。

低熔点金属3D打印技术研究与应用
圖7展示了在生物組織內,注射成型RFID天線的過程(A)和所制備的3D液態金屬RFID天線(B)。採用這種生物體內3D列印成型技術,製作的柔性器件,以其較高的順應性、適形化,以及微創性與低成本特點,顯示出良好的應用前景,在植入式生物醫用電子技術領域,具有重要意義。

六、低熔點金屬3D列印技術前景分析 
總的說來,發展以低熔點金屬,為墨水的3D列印技術,至關重要的一環,是墨水材料的開發,如對材料特性包括熔點、粘度、表面張力、電導率、熱導率等,以及墨水與基底材料的相容性、潤濕性等,系統性地進行液態金屬材料基因組的研究。

在列印技術方面,未來的應用將以複合列印為主,如基於液態金屬的可植入式,生物醫學電子器件的體內3D列印技術,將金屬的導電性和非金屬的絕緣封裝特性,結合起來製作柔性器件。

採用多種墨水,運用多種列印技術,製作電氣系統(如立體電路)、機電器件、功能器件等,將會是今後一段時間的發展趨勢,在製造業、電子資訊、能源和醫療技術等領域,將產生巨大的應用需求,其發展方興未艾。

部分文章來源:作者:王磊, 劉靜 作者單位:中國科學院理化技術研究所低溫生物與醫學實驗室



                                                                                                                                                                                                                 



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