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低熔点金属3D打印成形技术研究进展

发布日期:2018-08-18 0 1604

1 掩膜沉积

膜沉积技术从严格意义上来讲,是一种间接的增量成形方法。其加工过程:首先通过化学浸蚀、模板光刻、选择性润湿等方法在硅片、聚二甲硅氧烷等模板表面形成与目标结构相同的凹槽或图形;然后在模板表面均匀涂覆一层液态金属,通过真空扰动、外力挤压等方式使得液态金属充分填充入凹槽内;最后,将表面多余金属材料去除后可直接进行封装以制作可拉伸、弯折的柔性功能器件,或进行冷却固化处理后将金属制件与模板分离从而得到最终制件。


2 微流道注射成形

由于操作简便、可如实复制预成形结构以及免封装等特点,微流道注射成形方法可用于在弹性体甚或生物体内植入二维和三维金属结构以用于制造生物电极、柔性传感器等电子功能器件。其初始操作过程与掩膜沉积技术相同,使用立体光刻、溶解去除或熔融浇筑的方法在弹性基底表面预成形,随后与另一弹性平板基底进行等离子表面处理、粘结,从而得到所需要的微通道结构;使用注射器或泵将液态金属从预留的进料口甚至是生物体内的天然毛细管注入,随着液态金属进入流道并最终灌满所有空隙空间后,最终得到与设计结构或充填对象一致的点、线和其他结构。



3 液滴堆积

金属液滴堆积技术是于20世纪90年代初期由美国的Orme提出并逐渐发展起来的一种增量成形技术,该技术基于喷墨打印机的工作原理,通过气压、压电、机械振动、应力波等驱动方式产生金属液滴;根据目标产品的尺寸形状和结构特征,通过控制喷头或基板的运动轨迹,使金属液滴在指定位置实现有序、精确地沉积并相互融合、凝固,通过逐点、逐层的“堆积”过程得到二维图形和三维结构的快速成形技术。由于该技术具有成形材料适用范围广、无约束自由成形等优点,目前被广泛应用于以低熔点金属为加工对象的电子电路打印、封装和功能性金属器件制造等领域。


4 线性直写

作为3D打印增材制造技术中的一种主要实现方式,线性直写技术为成形精细二维电子电路和复杂三维金属结构提供了一种功能强大的工艺方法。特别在电子印刷领域,随着对室温液态金属(如镓及镓基合金等)的氧化、浸润性和电导率等材料性能研究的日益深入,以镓铟合金(熔点为15.7℃)为“墨水”,利用线性直写工艺可以在不同的柔性基底上打印电路、天线,实现可弯折的柔性电子器件成形。在制作过程中,以气压、活塞或材料自重为动力源,使液态金属从喷头中连续挤出形成线形流体;借助计算机精确控制喷头与基底之间的相对位置,实现金属材料在基底上的连续线性沉积,依靠液态金属的表面张力和氧化层保证电子线路的成形精度和结构稳定;最后将室温硫化型硅橡胶叠印在成形电路之上,起到封装和电气绝缘作用。



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