一种低熔点金属冷冻打印系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属打印技术领域，尤其涉及一种低熔点金属冷冻打印系统及方法。
【背景技术】
[0002]金属2D打印主要涉及印刷电路板(英文名称:Printed Circuit Board，英文缩写:PCB)领域，是以绝缘材料辅以导体配线所形成的结构性元件。PCB板的应用涵盖了计算机、汽车、医疗、航空航天等几乎所有使用电子设备的领域。
[0003]目前，PCB板的制作方法一般包括开料、钻孔、化学沉铜、全板电镀、外层电路、图形电镀、外层蚀刻、防焊、成型等流程，使该方法在制作技术中具有流程复杂、制作周期较长的缺陷。
[0004]3D金属打印是增材制造技术的一种，是将金属墨水通过逐层打印的方式来制造物品的技术。激光工程化净成形技术(Laser Engineered Net Shaping, LENS)、选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering, SLS)和电子束选区恪化技术(Electron BeamSelective Melting, EBSM)是三种典型的3D金属打印方法。这些打印技术均采用金属粉末作为打印墨水，借助气体进行冷却成型。相比传统的减材制造技术，采用3D金属打印大大缩短了产品研制周期。但这类金属墨水由于熔点高，因此打印过程耗能高，控制难度大；此夕卜，熔融金属或金属粉末的输运和喷射较为繁琐。这些因素均导致此类传统金属打印设备整体结构相当复杂，且价格昂贵。
[0005]近年来，液态金属3D打印技术的出现为金属3D打印技术的发展提供了更大可能。目前最新液态金属3D打印技术主要为，在室温下，液态合金接触空气时形成一层薄膜，十分坚硬，足以保持形态，通过3D打印机喷嘴，实现液态金属材料的层层堆叠，最终打印制造金属制品。这种方法虽然通过降低金属墨水熔点而减少了能耗，但金属固化过程缓慢，不能实现连续工作，制造周期过长。
【发明内容】
[0006]鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题的低熔点金属冷冻打印系统及方法，制造工艺简单、材料可回收且利用率高，能够实现连续工作，缩短生产周期，降低工艺成本。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种低熔点金属冷冻打印系统，该系统包括:
[0008]三维移动平台、冷冻探针、打印基底、液态金属池以及设置在所述液态金属池边缘的多个漏料小孔；
[0009]所述三维移动平台，用于固定所述冷冻探针，实现所述冷冻探针沿X，Y，Z方向移动；
[0010]所述液态金属池，用于盛放用于金属打印的液态金属材料；
[0011]所述打印基底，设置在所述液态金属池中央，用于在2D打印模式下承载打印成型的金属器件或图案；
[0012]所述冷冻探针，用于利用高压氮气冷冻所述液态金属池内位于所述打印基底上的液态金属材料，使其成型；
[0013]所述漏料小孔，用于回收所述液态金属池中多余的液态金属材料。
[0014]可选的，所述冷冻探针为2D打印探针、3D打印矩形探针或3D打印线形探针。
[0015]可选的，所述冷冻探针内部设有高压氮气容纳腔，所述冷冻探针的针尖处安装有用于监测所述冷冻探针针尖温度的温差电偶。
[0016]可选的，所述高压氮气的气流压力为300_500kPa，通过气体节流效应在探针尖实现快速冷冻降温；除此之外，也可直接采用液氮降温冷冻。
[0017]可选的，所述液态金属池为矩形容器，所述漏料小孔设置在所述矩形容器的底面的四角处。
[0018]可选的，所述液态金属材料为熔点范围在O°C — 500°C之间的合金材料。
[0019]可选的，所述冷冻打印系统还包括:高压氮气提供装置；
[0020]所述高压氮气提供装置，包括氮气罐、设于所述氮气罐出口处的高压阀，以及设置在连接所述氮气罐和冷冻探针的管路上的过滤器。
[0021]可选的，所述冷冻打印系统还包括计算机；
[0022]所述计算机与所述三维移动平台连接，用于根据待打印的金属器件或图案的轮廓，以及冷冻探针的扫描路径，建立所述待打印的金属器件或图案的三维模型，并根据所述三维模型设定所述冷冻探针的路径参数。
[0023]根据本发明的另一个方面，提供了一种利用如上述实施例所述的低熔点金属冷冻打印系统的低熔点金属打印方法，所述方法包括:
[0024]配制用于金属打印的液态金属材料，并将所述液态金属材料装入液态金属池；
[0025]根据当前金属打印的打印模式，选择冷冻探针的类型；
[0026]根据待打印的金属器件或图案的轮廓，以及冷冻探针的扫描路径，建立所述待打印的金属器件或图案的三维模型；
[0027]根据所述三维模型设定所述冷冻探针的路径参数；
[0028]三维移动平台根据设定的冷冻探针的路径参数控制所述冷冻探针进行冷冻扫描，形成金属器件或图案的初步形态；
[0029]将绝缘封装材料涂布在金属器件或图案的初步形态上进行封装，完成金属器件或图案的打印。
[0030]可选的，所述打印模式包括2D打印模式和3D打印模式；
[0031]所述根据当前金属打印的打印模式，选择冷冻探针的类型，具体包括:
[0032]对于2D打印模式，选择2D打印探针；对于3D打印模式，选择3D打印矩形探针或3D打印线形探针；
[0033]对于2D打印模式，在所述将所述液态金属材料装入液态金属池之前，还包括:在所述液态金属池中放置承载打印成型的金属图案的打印基底的步骤；以及，当冷冻扫描完成后，还包括:开启液态金属池底部边缘的多个漏料小孔，使多余液态金属材料流出的步骤。
[0034]本发明的有益效果为:
[0035]本发明提供的低熔点金属冷冻打印系统及方法，制造工艺简单、材料可回收且利用率高；可以进行2D图案或电路打印，还可以进行3D金属器件打印，模式切换灵活；且3D打印过程不再采用传统打印技术的堆叠成型原理，而是实现连续工作，缩短生产周期，降低工艺成本。
【附图说明】
[0036]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
[0037]图1为本发明实施例提出的一种低熔点金属冷冻打印系统的结构示意图；
[0038]图2为本发明实施例提出的一种低熔点金属冷冻打印方法中使用的冷冻探针的实现原理图；
[0039]图3为本发明实施例提出的2D打印探针的结构示意图；
[0040]图4为本发明实施例提出的3D打印线形探针的结构示意图；
[0041]图5为本发明实施例提出的3D打印矩形探针的结构示意图；
[0042]图6为本发明实施例提出的一种低熔点金属冷冻打印方法的流程图；
[0043]图7为本发明实施例提出的一种低熔点金属冷冻打印方法在实际应用中的具体操作流程图；
[0044]图8是本发明实施例中待打印的金属电路示意图；
[0045]图9是本发明实施例中待打印的金属薄板示意图；
[0046]图10是本发明实施例三中待打印的金属立方体示意图。
【具体实施方式】
[0047]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0048]本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
[0049]本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0050]图1示出了本发明实施例的一种低熔点金属冷冻打印系统的结构示意图。
[0051]参照图1，本发明实施例提出的低熔点金属冷冻打印系统包括:
[0052]三维移动平台1、冷冻探针2、打印基底3、液态金属池4以及设置在所述液态金属池4边缘的多个漏料小孔5，其中；
[0053]所述三维移动平台1，用于固定所述冷冻探针2，实现所述冷冻探针2沿X，Y，Z方向移动；
[0054]所述液态金属池4，用于盛放用于金属