低熔點金屬3D打印技術研究與應用(2)
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，從而更易于完成相變。圖4所反映的液滴沉積過程為：金屬液態墨滴下落到已打印物品表面時，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。相比于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干燥空氣的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。無水乙醇的密度是干燥空氣的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干燥空氣中的655.02倍，因此無水乙醇對下落的液滴起到了緩沖作用。另外，在無水乙醇中完成打印，也避免或減少了熔融液滴的氧化。
未來的液相3D打印機會是什么樣的呢？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合的辦法，如圖5所示。計算機控制所有注射泵的推進速度，使注射噴頭只需對應打印的位置進行增材過程，以此實現三維沉積。
四、低熔點金屬的復合打印技術
隨著3D打印技術的發展，復合式3D打印（hybrid3Dprinting）功能器件將會是一個發展趨勢。所謂復合式打印，可以是多種墨水的交互打印，也可以是多種打印方法的結合。例如采用Bi35In48.6Sn16Zn0.4（金屬）和705硅橡膠（非金屬）墨水的復合打印。705硅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-非金屬打印過程為：首先在基底上用705硅橡膠打印第1層，待其固化后，在其上面用Bi35In48.6Sn16Zn0.4墨水打印第2層金屬結構，隨后再用705硅橡膠打印第3層。充分固化后，將打印物品從基底上取下，得到一種類似三明治的結構。增加金屬和非金屬打印的層數，可以制作更復雜的結構。金屬-非金屬復合式打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，從而使得打印的電路可以在一些惡劣的環境下使用。總的說來，采用復合式打印來制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打印成型技術
可植入式生物醫學電子器件體內3D打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制造方法，其成型過程如圖6（A）所示。
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并拔出以形成電極區域，最后將導電金屬墨水，絕緣型墨水乃至配套的微/納尺度器件等順次注射后形成目標電子裝置。通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打印步驟，可以在目標組織處按預定形狀及功能構建出終端器件。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℃）。
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）。采用這種生物體內3D打印成型技術制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打印技術前景分析
總的說來，發展以低熔點金屬為墨水的3D打印技術，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[13]。在打印技術方面，未來的應用將以復合打印為主，如基于液態金屬的可植入式生物醫學電子器件的體內3D打印技術，將金屬的導電性和非金屬的絕緣封裝特性結合起來制作柔性器件。采用多種墨水，運用多種打印技術制作電氣系統（如立體電路）、機電器件、功能器件等將會是今后一段時間的發展趨勢，在制造業、電子信息、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。
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