液态金属液固相变成型效应在3D打印中的优化

由于常温液态金属材料在常温下是液态的，所以可在低于液态金属熔点的液体环境中实现3D打印过程［11，12］。比如，可以用冷铸的方法实现3D模型（图8.22a）［12］，此时工作环境换为冷冻台，但需要提前制作出可供充填液态金属的槽道，尚非自由成型。

传统金属3D打印的冷却环境往往是空气或真空，可以称之为“干式打印”，冷却速度较慢。为了加快金属件的冷却，笔者实验室提出液相冷却方法［11］，将金属的沉积成型过程置于液相流体环境中进行，液相流体可以是特定温度下的水、无水乙醇、酸或碱的电解液。

图8.22b展示出由液相3D打印过程实现任意形状堆叠的情形［11］，通过计算机程序来控制微阵列，在低温液体环境下对要打印的3D模型进行液态金属的逐层添加，相比于传统在空气中的3D打印过程，这种自由成型方法由于引入周围流体的大热容冷却，液态金属凝固迅速，实施起来较为简便快捷，能高效打印出不同形状的金属物体。

与传统气相流体冷却相比，液相3D打印方法实现的液态金属液固成型具有以下优点：

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图8.22　液态金属3D成型

a.冷冻3D打印技术打印的模型［12］；b.液相3D打印技术打印的模型［11］。

（1）快速的制造速度，在打印过程中采用了流体控制的机制，可以打印各种3D结构，冷却流体的温度和流速也可以灵活控制，例如通过调整冷却流体的流速和方向，可以打印一些独特的3D结构（如旋转体）。

（2）易于实现3D机电器件的打印，将金属打印和非金属（如塑料等）打印结合起来形成3D功能器件，将液相3D打印与传统打印方法结合起来将会是一种有前景的打印技术。

（3）金属部件的打印能耗将大大降低，由于采用了低熔点金属墨水，材料的液固相转变易于实现，与传统的高熔点金属打印相比，制造的困难程度大大降低。