低熔点金属3D打印技术研究卢迪

低熔点金属3D打印技术研究卢迪

卢迪

（南方增材科技有限公司）

摘要：3D打印技术是科技进步的重要标志，改变了传统制造业的生产方式，成为制造业发展的新趋势，本文主要对低熔点金属的3D打印金属进行分析和研究，以供参考和借鉴。

关键词：低熔点；金属；3D打印技术

低熔点金属有别于传统3D打印材料，它是指一大类熔点低于200℃的金属材料，如镓基、铟基、铋基合金等。低熔点金属尤其是室温液态金属在印刷电子、制作柔性器件方面正显现独特的优势。本文介绍了几种新近出现的基于低熔点金属墨水的3D打印技术。

1低熔点金属3D打印技术

3D打印是增材制造技术的一种，近年来得到了广泛的关注和研究。这是一种将墨水（如粉末金属或塑料）按照一定方式逐层打印出来的技术，常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[1-2]、微流道[3]、电子线路和器件[4]等领域有着十分广泛的应用前景。低熔点金属有别于传统3D打印材料，它是指一大类熔点低于200℃的金属材料，如镓基、铟基、铋基合金等。低熔点金属尤其是室温液态金属在印刷电子、制作柔性器件方面正显现独特的优势。本文介绍了几种新近出现的基于低熔点金属墨水的3D打印技术。

2金属3D打印存在的问题

2.1成形效率低

成形效率低是金属3D打印工业化大规模生产应用的最大缺点。比如在汽车家电行业，其成形效率根本无法和使用模具的零件生产方式相比。这种效率低的特点是由其离散堆积的成形原理决定的，所以说是先天缺陷，几乎不可能从根本上有所改观。目前报道的，成形效率较高的是美国NASALangleyResearchCenter、Sciaky公司、LockheedMartin公司等研究单位报道了最大成型速度可达3500cm3／h，可以看到这个效率是无法和金属铸造或模锻成形相比的。尽管研究人员采取了各种方法提高金属3D打印的效率，但显然短期内不可能有根本性改观。

2.2成形精度低

目前各种金属3D打印工艺的成形精度普遍不高，难以与普通切削加工的精度相比，更不用说高精度加工或精密、超精密加工了。并且金属3D打印的精度与效率密切相关，提高打印精度的一个方面就是减小切片厚度，这会直接增加零件成形时间。当前成型进度比较好的金属3D打印工艺是SLS和EBSM，理论上可以达到0.01mm的尺寸精度，但实际使用中由于粉末颗粒、材料热胀冷缩，制件变形等影响，较好的金属3D打印精度只能达到0.1mm左右。这种精度的零件，绝大多数场合是无法直接装机应用的。

3低熔点金属3D打印成形技术研究进展

3.1掩膜沉积技术

掩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。其加工过程如下：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低熔点金属掩膜沉积成形工艺流程终制件。

3.2纸基电子线路的液态金属3D打印

纸基电子线路的液态金属3D打印指的是可以使用液态金属和封装材料直接在纸（如铜版纸）上制作电子线路或功能器件的一种打印方法，采用这种原理的一种桌面式打印系统及其打印喷头采用的是气压式印刷方法，注射筒中的液态金属墨水由此可在氮气压力的作用下进入打印喷头，打印喷头的尖端采用的是软毛刷结构，液态金属墨水被刷印在基底上。打印喷头的三维运动由机械装置控制，运动速度程序设置于教导盒中，根据需要可在室温下制造各种3D金属构件。制作纸基电子线路的打印原理如下：首先，在纸面上打印第1层液态金属电路，然后将室温硫化硅橡胶叠印在液态金属电路之上，起到封装和电气绝缘的作用。如果需要打印多层电路，可以在封装层之上再用液态金属墨水打印所需线路即可。其打印步骤为：第1步先将液态金属打印在纸上；第2步将室温硫化硅橡胶叠印在第1层液态金属电路之上作为封装材料；第3步将第2层液态金属电路叠印在硅橡胶层之上。

3.3无损检测技术研究

对于新型的金属3D打印技术来说，传统的常规检测手段对其特殊的组织与缺陷、大尺寸大规格等都束手无策。欧美国家在金属3D打印材料的无损检测研究方面取得较大进展，如美国的NASA公司、英国的TWI公司、德国的MTU公司等。由于国内的金属3D打印技术起步较晚，因此金属3D打印材料的无损检测方法研究工作显著滞后，且极少应用无损检测手段。

离线检测，目前，大部分无损检测工作都在材料成形后进行，这种方式被称为离线检测，特点是制造与检测过程分离。传统的超声波探伤、X射线探伤、涡流探伤等都是常用的无损检测方法。中航工业的韩立恒等研究了超声检测技术在电子束熔丝3D打印成形件中的应用，结果表明：检测大厚度制件及其内部微裂纹时使用超声检测有较好的效果，前提是适当的调整超声波入射方向和角度等参数。

3.43D打印过程

3D打印工艺试制中最关键的环节就是工艺参数的摸索。，激光3D打印的往复扫描对已沉积的材料层是强制循环热处理的过程，对成形结构件的微观组织有直接影响。对不同规格尺寸的金属结构件来说，其打印工艺参数如激光器功率、光斑直径、送粉速率和激光扫描速率等可能完全不同。因此根据合金原材料的固态相变热力学、动力学特性、最终成型构件规格、微观组织演变等因素摸索和选取合理的工艺参数是首要工作。通过反复的试制和组织性能评价才能优化确定成品结构件的实际工艺参数。与传统的变形工艺相比，3D打印技术省去了模具设计和制造过程，也不需要大型的热加工设备和长时间的加热、热变形过程，具有较短的生产周期。然而由于其生产过程实际上是粉末金属原材料的逐层熔化沉积，因此其生产效率较低。以一个数吨重的环形锻件为例，如果采用大吨位水压机热锻、穿孔、扩孔、精锻成形的方法，即使包括了锻造前加热保温和锻后热处理的过程，整个工艺流程的耗时也不超过一天。如果采用大功率激光3D打印技术，目前较高的熔化沉积速度约为每天50～100kg，那么完成整个环形件的时间长达数月。另外，当激光器功率升高后，势必造成热输入增大和循环热影响区的增大，对合理控制成形件的微观组织和性能不利。若适当调小激光功率，生产时间必定会成倍延长。因此，3D打印技术实际上更适合于整体质量不太高（几十至数百公斤）、具有复杂结构、成本和附加值较高、性能要求较高的金属材料结构件生产。

结语

总体来说，3D打印技术经过多年的探索、研究，终于迎来了难得的发展机遇和提升空间。在党和国家的高度重视和政策支持之下，我们必须紧紧抓住和用好新一轮科技革命和产业革命的机遇，不能等待、不能观望、不能懈怠，从战略高度认识并推进3D打印技术的突破发展和产业形成，重点培育“互联网+制造业”的智能生产模式，加快我国经济发展方式转变和产业提质增效进程，为把我国建设成为制造业强国，实现“中国制造2025”的强国目标和中华民族伟大复兴的中国梦打下坚实的基础。

参考文献

[1]邱海飞.3D打印专业教育人才培养体系研究[J].现代制造工程，2018，5:62～67.

[2]郭联金.智能制造背景下机电专业实训室的升级改造[J].实验技术与管理，2018，35(9):158～161.

[3]李涤尘.3D打印技术:创新与创业的利器[J].中国远程教育，2014，24:69.