常规3D金属打印通常基于高熔点金属材料，耗时耗能，费用较高；而基于塑料或聚合物等的普通3D打印，不易实现功能器件。液态金属3D打印技术的出现，打破了上述两方面的技术瓶颈，为快速低成本制造个性化功能电子器件打开了全新视野。本书阐述液态金属3D打印技术的基本方法、原理及应用问题，涉及：液态金属墨水材料、液相3D打印、立体电路成型、金属/非金属混合打印、柔性电子悬浮打印以及植入电子在体打印及注射打印等方面，并指出若干可供探索的途径和新方向。
3D打印（又称增材制造）作为一种先进制造技术，通过分层制造、增量成型的加工方式满足人们对实体物品的个性化、定制化需求，被认为是第三次工业革命的重要引擎。随着首份国家级3D打印发展计划《国家增材制造产业发展推进计划（20152016年）》的发布以及《中国制造2025》规划纲要的出台，以数字化设计和制造为基础，与互联网商业服务和先进材料技术紧密融合的3D打印技术，必将给传统制造业带来颠覆式变革。加快3D打印技术研发和产业化应用，对于提升我国制造业自主创新能力，抢占未来科技和产业制高点，推进制造业转型升级与经济发展方式转变，实现制造业强国的建设目标具有重要意义。
金属材料3D打印技术作为3D打印制造体系中较具前沿性和工程应用潜力的技术，是加快发展智能制造新技术、新装备的重点发展方向之一。其中，专用金属打印材料、工艺技术水平与制造装备及核心器件的创新研发和成果转化是关键。目前可用于3D打印的金属材料主要为高熔点金属粉末，以激光或高能电子束作为加工热源，需要功率调控、送粉机构、高真空或惰性气体保护等配套装置。与传统加工方法相比，现有金属3D打印技术虽极具优势，但仍存在成型温度高、能源消耗大、金属液固相变过程复杂、工艺影响因素多、设备维护费用昂贵等不足，且无法顾及与非金属材料在熔点温度上的巨大差异，难以用于直接打印终端功能性器件，特别是含有电子功能的器件制造仍需另外安装电路板、布线及组装电子元件。
在长达十多年研究低熔点液态金属的探索与实践过程中，我们有幸于国内外最早意识到液态金属在3D打印以及更广层面上的先进制造中的重大价值，先后提出一系列全新的学术思想和技术理念，如液态金属材料基因组、液相3D打印、液态金属印刷电子学、金属/非金属/生物材料混合3D打印、柔性电子悬浮3D打印、植入电子或骨骼在体3D打印等，并于20122014年间推出了一系列硬件打印机原型或其产品化装备，部分成果正逐步形成一定规模的市场化。系列原创性突破一经发表就在国际上引发重要反响，被国际众多知名科学新闻或专业网站如MIT Technology Review， IEEE Spectrum， Discover， ASME Today， Fox News， Geek， Asian Scientist， Phys Org， Chemistry World， CCTV等广泛专题评介，部分工作入围2014年两院院士评选中国十大科技进展新闻（全国20项）、美国科技界奥斯卡2015 R&D 100 Awards Finalists（全球200项），以及入选2015年中关村十大科技创新成果奖等。近期，我们欣喜地看到，全球在液态金属增材制造领域的研究已然风生水起，展示出一个极具活力和发展前景的新兴科技前沿。正是在这样的背景下，促成了我们将以往工作整理出版的初衷，愿能由此促成液态金属3D打印这一新兴领域的可持续健康发展，为液态金属3D打印技术的进步贡献微薄之力。
本书集中介绍的液态金属，学术上也称低熔点金属，有别于传统的金属3D打印材料，具体指的是一大类熔点低于300℃的金属材料或由此制备的功能材料。前文已指出，低熔点金属，特别是在常温条件下呈液态的金属，近期在先进制造领域已呈现异军突起之势，展示出了大量独特的技术优势，且研究和应用还在不断快速增长。研究和开发以低熔点液态金属为成型材料的3D打印技术及相关设备，突破传统金属3D打印材料的形状和高温限制，可实现常温条件下金属与非金属功能材料的复合打印，推动相应技术和设备的产业化，必将在广阔领域如可穿戴电子设备、柔性显示器、可伸缩天线以及更多范畴功能器件的快速制造方面大有作为，将大大有助于充分发挥3D打印技术在智能生产和灵巧制造领域中的示范和带动作用，推动先进制造技术和人类生产、生活方式的变革，实现中国制造业的智能升级和创新驱动。
全书内容反映的主要是笔者实验室近年来的工作，同时对国际上涌现出的一些相关典型成果也作了必要介绍。其间，实验室许多同志为此做出了大量贡献，如不完全列出的包括： 博士后于永泽、路金蓉、衣丽婷、汤剑波、刘福军，研究生郑义硕士、张琴硕士、金超博士、李海燕博士，以及青年教师高云霞博士、王倩博士等；研究工作开展过程中，实验室先后得到中国科学院院长基金、中国科学院前沿局3D打印项目与人才基金、北京市科委增材制造项目以及国家自然科学基金No．91748206等的支持。谨在此一并致谢。
由于时间仓促，加之作者水平有限，本书不足和挂一漏万之处，恳请读者批评指正。
刘静王磊2018年6月
刘静：清华大学医学院生物医学工程系教授，中国科学院理化技术研究所兼职研究生导师。曾为美国普渡大学博士后、麻省理工学院高级访问学者，先后入选中国科学院及清华大学百人计划，2003年国家杰出青年科学基金获得者。长期从事液态金属、生物医学工程与工程热物理等领域交叉科学问题研究并做出系列开创性贡献。发现液态金属诸多全新科学现象、基础效应和变革性应用途径，开辟了液态金属在生物医疗、柔性机器人、印刷电子、3D打印、先进能源以及芯片冷却等领域突破性应用，成果在世界范围产生广泛影响。曾获国际传热界最高奖之一The William Begell Medal、全国首届创新争先奖、中国制冷学会技术发明一等奖、ASME会刊Journal of Electronic Packaging年度唯一最佳论文奖、入围及入选两院院士评选中国十大科技进展新闻各1次，入选CCTV 2015年度十大科技创新人物等。
丛书序
前言
第1章绪论1
1．1引言1
1．23D打印及其全球产业发展现状1
1．33D打印产业规模与发展趋势3
1．4液态金属与3D打印3
1．5液态金属3D打印研究态势5
1．6我国3D打印产业面临的机遇与挑战12
1．7未来展望14
参考文献14第2章液态金属3D打印墨水材料19
2．1引言19
2．2液态金属的材料特征21
2．3液态金属的基本性质22
2．4液态金属的氧化特性25
2．5液态金属的润湿性和电导率特性27
2．6高性能液态金属打印墨水29
2．7材料基因组计划32
2．8本章小结33
参考文献33第3章液态金属3D打印材料基因组39
3．1引言39
3．2液态金属材料基因组计划的提出40
3．3设计新型液态金属材料的基本途径41
3．4理论研究方法45
3．5实验研究方法51
3．6理论与计算挑战53
3．7本章小结54
参考文献54第4章液态金属的热学与流体驱动特性60
4．1引言60
4．2金属液滴升降温特性及过冷度研究61
4．3低熔点合金Bi35In48．6Sn16Zn0．4的特性66
4．4液态金属流体驱动特性72
4．5电磁场中电解液的运动特性74
4．6电磁场中液态金属的旋转特性76
4．7本章小结84
参考文献85第5章低熔点金属熔融沉积打印方法89
5．1引言89
5．2低熔点金属直接3D打印成型原理90
5．3低熔点金属直接3D打印成型方法91
5．4低熔点金属3D打印性能92
5．5打印参数对液态金属堆积过程的影响93
5．6打印件性能评估98
5．7本章小结100
参考文献100第6章低熔点金属液相3D打印技术102
6．1引言102
6．2低熔点金属的气压式3D打印103
6．3打印环境液相冷却技术108
6．4液相冷却与气相冷却方法的比较113
6．5未来的液相3D打印机架构115
6．6本章小结115
参考文献116第7章金属与非金属材料复合式3D打印技术118
7．1引言118
7．2复合3D打印现状118
7．3金属非金属复合式3D打印技术120
7．4立体电路的3D打印与封装122
7．5液态金属电池的复合式打印124
7．6本章小结131
参考文献132第8章液态金属悬浮3D打印技术134
8．1引言134
8．2悬浮打印成型原理134
8．3悬浮3D打印过程136
8．4悬浮3D打印成型件结构特征138
8．5液态金属悬浮打印成型应用141
8．6本章小结142
参考文献143第9章注射式液态金属3D打印技术145
9．1引言145
9．2电路设计与成型原理146
9．3注射式打印制备过程147
9．4柔性基体3D打印成型149
9．5柔性基体流道打印152
9．6液态金属灌注154
9．7三维柔性电路成型156
9．8本章小结157
参考文献157第10章液态金属腐蚀打印技术159
10．1引言159
10．2液态金属腐蚀实验160
10．3液态金属腐蚀特定基底情形162
10．4液态金属腐蚀问题讨论168
10．5液态金属腐蚀雕刻原理168
10．6液态金属腐蚀打印技术刻画169
10．7液态金属腐蚀机理分析172
10．8本章小结175
参考文献175第11章液态金属喷墨打印立体电路技术178
11．1引言178
11．2液态金属喷墨打印技术原理179
11．3液滴尺寸对金属墨水黏附性的影响182
11．4液态金属图案的增材制造183
11．5电子线路与器件的打印和测试189
11．6液态金属喷墨打印技术在智能家居中的应用193
11．7本章小结197
参考文献198第12章液态金属终端功能器件广义性3D打印技术202
12．1引言202
12．2用于广义性3D打印的墨水和墨水之间的打印兼容性203
12．3生物体中植入电子结构的在体3D打印206
12．4注射式3D打印金属骨水泥208
12．5本章小结与展望210
参考文献211索引214
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