,但的確可通過墨水輸運(yùn)裝置來實(shí)現(xiàn)加工
。
圖1 掩膜沉積加工流程
二、紙基電子線路的液態(tài)金屬3D打印
紙基電子線路的液態(tài)金屬3D打印指的是可以使用液態(tài)金屬和封裝材料直接在紙(如銅版紙)上制作電子線路或功能器件的一種打印方法,采用這種原理的一種桌面式打印系統(tǒng)及其打印噴頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)采用的是氣壓式印刷方法,注射筒中的液態(tài)金屬墨水由此可在氮?dú)鈮毫Φ淖饔孟逻M(jìn)入打印噴頭,打印噴頭的尖端采用的是軟毛刷結(jié)構(gòu),液態(tài)金屬墨水被刷印在基底上。打印噴頭的三維運(yùn)動由機(jī)械裝置控制,運(yùn)動速度程序設(shè)置于教導(dǎo)盒中,根據(jù)需要可在室溫下制造各種3D金屬構(gòu)件。
圖2 桌面式液態(tài)金屬3D打印系統(tǒng)及打印噴頭結(jié)構(gòu)圖
打印機(jī)運(yùn)行時(shí)的圖像如圖3(A-1)所示,以GaIn24.5為墨水打印的線路如圖3(A-2)和3(A-5)所示。圖3(A-2)和(A-5)展示了以GaIn24.5為墨水打印的線路,依次為用硅橡膠封裝的電氣線條,雙層金屬結(jié)構(gòu),紙基線路的三維結(jié)構(gòu),LED電路通電時(shí)的狀態(tài)。另外,用這種打印方法還可以方便的制作電子器件,打印的紙基電感線圈和紙基射頻識別(radio frequency identification,RFID)天線分別展示在圖3(B-1)和3(B-2)中,由于采用紙作為基底,這些器件具有很好的柔性,如圖3(B-3)所示。
圖3 用液態(tài)金屬GaIn24.5打印的電子器件
圖3(A)為紙基電子線路的打印圖像及打印線路展示:①電子線路打印過程圖像,插圖為所打印的彎折電子線路;②用硅橡膠封裝的電氣線條;③打印的雙層金屬結(jié)構(gòu);④打印的紙基線路的三維結(jié)構(gòu);⑤打印的LED電路通電時(shí)的狀態(tài),圖3(B)為打印的紙基功能器件:①電感線圈;②RFID天線;③打印器件的柔性展示。
Bi35In48.6Sn16Zn0.4的熔化焓和比熱容分別為28.94J/g和0.262J/(g·℃),遠(yuǎn)低于其他普通金屬〔例如鋁的熔化焓和比熱容分別為393.0J/g和0.88 J/(g·℃) 〕。這一特點(diǎn)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 ,從而更易于完成相變
。圖4所反映的液滴沉積過程為:金屬液態(tài)墨滴下落到已打印物品表面時(shí),墨滴熱量傳遞給打印物表面使其熔化并與墨滴熔融
,在溫度較低的液相冷卻環(huán)境下熔融的金屬液體迅速凝固
,下落的墨滴即成為已打印物品的一部分,這樣逐滴沉積形成最終的打印物品
。
圖4 在無水乙醇冷卻流體中的液滴沉積過程(由A到F)
未來的液相3D打印機(jī)會是什么樣的呢?首先,打印墨水和冷卻流體的材料選擇至關(guān)重要,2種材料在密度、粘度、表面張力、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等方面需要匹配,所有的低熔點(diǎn)金屬,包括鎵基、銦基、鉍基合金等均可選作打印墨水。在打印過程中,冷卻流體的溫度要控制在打印墨水的熔點(diǎn)以下,以保證金屬墨水能夠凝固。為了保證打印效率,可以采用注射泵陣列和注射噴頭陣列結(jié)合的辦法,如圖5所示。計(jì)算機(jī)控制所有注射泵的推進(jìn)速度,使注射噴頭只需對應(yīng)打印的位置進(jìn)行增材過程,以此實(shí)現(xiàn)三維沉積。
圖5 未來液相3D打印機(jī)的針頭陣列
四、低熔點(diǎn)金屬的復(fù)合打印技術(shù)
增加金屬和非金屬打印的層數(shù),可以制作更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。金屬-非金屬復(fù)合式打印充分利用了金屬機(jī)械強(qiáng)度好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性強(qiáng)的特點(diǎn),以及非金屬良好的絕緣性能,從而使得打印的電路可以在一些惡劣的環(huán)境下使用?div id="4qifd00" class="flower right">
?偟恼f來,采用復(fù)合式打印來制作結(jié)構(gòu)件或功能件具有廣闊的發(fā)展前景。
五、可植入式生物醫(yī)學(xué)電子器件體內(nèi)3D打印成型技術(shù)
圖7展示了在生物組織內(nèi)注射成型RFID天線的過程(A)和所制備的3D 液態(tài)金屬RFID天線(B)。采用這種生物體內(nèi)3D打印成型技術(shù)制作的柔性器件以其較高的順應(yīng)性、適形化
,以及微創(chuàng)性與低成本特點(diǎn)顯示出良好的應(yīng)用前景,在植入式生物醫(yī)用電子技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義
。
圖6 (A)在生物組織中打印制作生物電極
圖7 (A)在生物組織內(nèi)注射成型RFID天線的過程;(B)所制備的3D 液態(tài)金屬RFID天線
六、低熔點(diǎn)金屬3D打印技術(shù)前景分析
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