本發(fā)明屬于打印領(lǐng)域，具體涉及一種3D打印的線材及其制備方法。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀，近年來以其巨大的應(yīng)用潛力正成為一個世界性研究熱點。3D打印存在許多不同的技術(shù)，如熔融沉積法(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)、選擇性激光燒結(jié)法(Selective Laser Sintering，SLS)、光固化法(Stereolithography，SLA)、疊層法(Laminated Object Manufacturing，LOM)等。在這些方法中，熔融沉積法是應(yīng)用最廣泛的3D打印技術(shù)，其基本原理為：將熱熔性線材加熱至熔融狀態(tài)，通過噴頭使之擠噴涂覆在已固化的材料層上，自下而上逐層疊加并固化成型。目前，F(xiàn)DM工藝中常用的材料為熱塑性塑料線材，如ABS、PLA等，這些材料通常不具有導(dǎo)電性，只能制作塑料模型或零件，因而限制了這種打印技術(shù)的推廣。

迄今為止，用于3D打印的線材大多只具備單一的材料特性，即要么是塑料特性，要么是金屬特性，由多種物理特性構(gòu)成的復(fù)合型線材鮮有報道。其中主要原因在于按照通常的認識，塑料和常規(guī)金屬各自熔點相差太大，比如銅的熔點在1000℃以上，ABS熔點為170℃左右，二者難以結(jié)合在一起構(gòu)成打印線材，也因此，這種高熔點金屬線材難以用普通的打印塑料的3D打印設(shè)備進行打印。本發(fā)明的目的是通過引入一種新概念型低熔點金屬作為構(gòu)件之一，再結(jié)合獨特的制作方法，實現(xiàn)具有導(dǎo)電功能的3D打印復(fù)合線材。

最近，發(fā)明人所在實驗室發(fā)明了一種液態(tài)金屬霧化噴印方法(Q.Zhang,Y.X.Gao,J.Liu.Atomized spraying of liquid metal droplets on desired substrate surfaces as a generalized way for ubiquitous printed electronics.Appl.Phys.A-Mater.2014,doi:10.1007/s00339-013-8191-4和L.Wang,J.Liu.Pressured Liquid Metal Screen Printing for Rapid Manufacture of High Resolution Electronic Patterns.RSC Adv.2015,doi:10.1039/C5RA10295B)，可將室溫液態(tài)金屬或熔融的低熔點金屬墨水進行氣流霧化并噴覆在任何粗糙度的基底(包括ABS塑料等)上。這種技術(shù)有望應(yīng)用在FDM工藝中，通過改變熱塑性線材的材料成分來改變線材的導(dǎo)電性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

為了改變現(xiàn)有FDM工藝所用熱塑性線材的導(dǎo)電性，在不改變FDM打印方法的前提下擴展其應(yīng)用范圍，本發(fā)明提供一類用于打印導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料線材，可直接用于當前基于FDM方法的3D打印機中，并提供了該復(fù)合材料線材的制作方法。

(二)技術(shù)方案

實現(xiàn)本發(fā)明上述目的的技術(shù)方案為:

一種用于3D打印的復(fù)合材料線材，所述復(fù)合材料線材為三層結(jié)構(gòu)(或稱三明治結(jié)構(gòu))，自內(nèi)向外依次是塑料層、金屬層、封裝層。

其中，所述塑料層的材質(zhì)為ABS塑料或PLA塑料。

其中，所述塑料層的橫截面為圓形或中空的圓環(huán)；所述圓形的半徑為0.01-3cm；所述圓環(huán)的內(nèi)半徑為0.001-2cm，外半徑比內(nèi)半徑大0.009-1cm。

其中，所述金屬層的材質(zhì)為低熔點金屬，選自鎵、鎵基合金、鉍基合金中的一種或多種，熔點小于300℃。

進一步地，所述低熔點金屬中分散有金屬納米顆粒，所述金屬納米顆粒為金、銀、銅、鐵、鎳、鈣、鋅的納米顆粒中的一種或多種。

其中，所述金屬層的厚度為0.0001-5mm。

其中，所述封裝層的材質(zhì)為硅橡膠或絕緣漆，所述封裝層的厚度為0.0001-3mm。

本發(fā)明所述復(fù)合材料線材的制備方法，包括步驟：

1)將塑料線材固定在夾具上并使之緩慢轉(zhuǎn)動；

2)將霧化的液態(tài)金屬液滴噴涂在線材表面，勻速移動霧化噴頭使液態(tài)金屬噴涂均勻；

3)在金屬層外表面涂覆封裝層的材料；

4)待封裝層的材料凝固，即完成對塑料線材的封裝。

其中，所述液態(tài)金屬霧滴的直徑為10nm-200μm。

其中，所述液態(tài)金屬的霧化方法為氣流霧化或超聲霧化。所述霧化方法可采用公開的文獻如Q.Zhang,Y.X.Gao,J.Liu.Atomized spraying of liquid metal droplets on desired substrate surfaces as a generalized way for ubiquitous printed electronics.Appl.Phys.A-Mater.2014,doi:10.1007/s00339-013-8191-4和L.Wang,J.Liu.Pressured Liquid Metal Screen Printing for Rapid Manufacture of High Resolution Electronic Patterns.RSC Adv.2015,doi:10.1039/C5RA10295B中記載的方法。

(三)有益效果

1、本發(fā)明提出的線材，與現(xiàn)有的用于FDM工藝的熱塑性塑料線材相比，復(fù)合材料線材由于引入了金屬層，使得導(dǎo)電性大大加強，可以用于對電導(dǎo)率有要求的功能器件打??；

2、以塑料層、金屬層及絕緣封裝層制造而成的三明治結(jié)構(gòu)打印線材，既保證了原有塑料的3D機械打印特性，又具備了金屬的導(dǎo)電性，同時還保證了導(dǎo)電打印件的直接封裝，應(yīng)用價值顯著；

3、復(fù)合材料線材可以方便的直接應(yīng)用于家用便攜式的3D打印機中，由此制造出功能器件。

附圖說明

圖1金屬霧滴噴涂示意圖；

圖2本發(fā)明實施例4的復(fù)合材料線材的截面示意圖；

圖中：1、金屬霧化噴頭；2、固定夾具；3、塑料線材；4、金屬霧滴；5、金屬層；6、外涂層。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例1

制備復(fù)合材料線材的方法參見圖1。首先，將直徑為2mm的ABS塑料線材3固定在固定夾具2上，使之按照5mm/s的速度轉(zhuǎn)動。液態(tài)金屬材料選用鎵銦合金(GaIn_24.5，熔點為15.5℃),用氣流霧化的方式使之離散為粒徑為0.7-40μm的金屬霧滴4，通過金屬霧化噴頭1均勻噴涂在ABS塑料線材3表面，形成的金屬層厚度約為0.1mm。然后在金屬層的表面涂覆一層705硅橡膠，厚度約為0.15mm，線材在室溫環(huán)境下保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)并放置1小時后，硅橡膠凝固，即完成復(fù)合線材的制作。

所得復(fù)合線材的徑向電導(dǎo)率為3.4×10⁶S/m，擠出溫度為240℃，密度為1.96g/cm³。

實施例2

首先，將直徑為2mm的PLA塑料線材固定在夾具上，使之按照5mm/s的速度轉(zhuǎn)動。金屬材料選用鉍銦錫鋅合金(Bi₃₅In_48.6Sn_15.9Zn_0.4，熔點為58.3℃),把金屬加熱熔化并用超聲霧化的方式使之離散為粒徑為10-40μm的微液滴，將微液滴均勻噴涂在PLA塑料線材表面,金屬層厚度約為0.1mm。然后在金屬層的表面涂覆一層705硅橡膠，厚度約為0.05mm，線材在室溫環(huán)境下保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)并放置20分鐘后，硅橡膠凝固，即完成復(fù)合線材的制作。

所得復(fù)合線材的徑向電導(dǎo)率為7.3×10⁶S/m，擠出溫度為190℃，密度為2.43g/cm³。

實施例3

首先，將直徑為2mm的ABS塑料線材固定在夾具上，使之按照5mm/s的速度轉(zhuǎn)動。金屬材料選用鎵(Ga，熔點為29.8℃)和銅納米粒子(粒徑為10-50nm)的混合物，其中銅納米粒子的質(zhì)量百分比為2％。把金屬加熱熔化并用氣流霧化的方式使之離散為粒徑為1-40μm的微液滴，將微液滴均勻噴涂在ABS塑料線材表面,金屬層厚度約為0.1mm。然后在金屬層的表面涂覆一層705硅橡膠，厚度約為0.1mm，線材在室溫環(huán)境下保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)并放置40分鐘后，硅橡膠凝固，即完成復(fù)合線材的制作。

所得線材的徑向電導(dǎo)率為1.2×10⁶S/m，擠出溫度為240℃，密度為1.92g/cm³。

實施例4

首先，將內(nèi)半徑為0.25mm,外半徑為1mm的圓環(huán)形ABS塑料線材固定在夾具上，使之按照5mm/s的速度轉(zhuǎn)動。金屬材料選用鎵(Ga，熔點為29.8℃),把金屬加熱熔化并用氣流霧化的方式使之離散為粒徑為1-40μm的微液滴，將微液滴均勻噴涂在ABS塑料線材表面,金屬層厚度約為0.1mm；之后，在圓環(huán)形ABS塑料線材內(nèi)空中注射入鎵金屬流體。最后，在金屬層的表面涂覆一層705硅橡膠，厚度約為0.1mm，線材在室溫環(huán)境下保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)并放置40分鐘后，硅橡膠凝固，即完成復(fù)合線材的制作。

如圖2，制得的復(fù)合材料線材具有三層結(jié)構(gòu)，自內(nèi)向外依次是塑料線材3、金屬層5、外涂層6。塑料層的截面為圓環(huán)，圓環(huán)內(nèi)半徑r為0.25mm，外半徑R為1mm。所得線材的徑向電導(dǎo)率為2.2×10⁶S/m，擠出溫度為240℃，密度為1.97g/cm³。

以上的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對 本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變型和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。