3D打印是增材制造技術的一種，近年來得到了廣泛的關注和研究。這是一種將墨水（如粉末金屬或塑料）按照一定方式逐層打印出來的技術，常用的典型材料包括塑料、陶瓷、高熔點金屬粉末等。3D打印技術在組織工程、微流道、電子線路和器件等領域有著十分廣泛的應用前景。

有低熔點金屬別于傳統3D打印材料，它是指一大類熔點低于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、制作柔性器件方面正顯現獨特的優勢。本文介紹了幾種新近出現的基于低熔點金屬墨水的3D打印技術。

一、掩膜沉積制造技術

掩膜沉積法（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，也可以將制成的液態金屬圖案進行封裝從而制作柔性器件。嚴格地說，這種成型方式還不能算作打印，但的確可通過墨水輸運裝置來實現加工。

圖1 掩膜沉積加工流程

二、紙基電子線路的液態金屬3D打印

紙基電子線路的液態金屬3D打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及其打印噴頭結構如圖2所示。該系統采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打印噴頭，打印噴頭的尖端采用的是軟毛刷結構，液態金屬墨水被刷印在基底上。打印噴頭的三維運動由機械裝置控制，運動速度程序設置于教導盒中，根據需要可在室溫下制造各種3D金屬構件。

圖2 桌面式液態金屬3D打印系統及打印噴頭結構圖

打印機運行時的圖像如圖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，雙層金屬結構，紙基線路的三維結構，LED電路通電時的狀態。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打印的雙層金屬結構；④打印的紙基線路的三維結構；⑤打印的LED電路通電時的狀態，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。

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。

圖5 未來液相3D打印機的針頭陣列

四、低熔點金屬的復合打印技術

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

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。

圖6 （A）在生物組織中打印制作生物電極

圖7 （A）在生物組織內注射成型RFID天線的過程；（B）所制備的3D 液態金屬RFID天線

六、低熔點金屬3D打印技術前景分析

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