CN105437769B

CN105437769B - 一种pcb快速制造3d打印机组

Info

Publication number: CN105437769B
Application number: CN201511031616.6A
Authority: CN
Inventors: 汤晓宇; 谭诚
Original assignee: Tianjin Xitong Electronic Equipment Co Ltd
Current assignee: Aerospace Photoelectric Technology Development (Tianjin) Co., Ltd.
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2035-12-30
Also published as: CN105437769A

Abstract

本发明涉及一种PCB快速制造3D打印机组，包括三维的钻孔喷针设备、三维的喷墨字符设备以及三维的压合设备；基于数字喷墨技术的3D打印新装备、运用纳米液态金属、光敏树脂等材料制造PCB板；本发明集打孔、沉银、喷线、涂层、印字于一体，只需一套设备即可完成PCB整个生产制造过程，生产过程大大简化；喷墨打印速度比电镀、蚀刻快20倍以上，节省总工序时间60％以上，极大缩短生产制造时间，可靠性也显著提高；使用功能性油墨喷印出印制线、阻焊层、字符层制造PCB板，材料利用率在接近100％，能耗更低，成本更低，绿色生产；采用功能性油墨直接在绝缘基板上喷印出印制线、阻焊层、字符层，油墨利用率接近100％，几乎无污染物排放。

Description

一种PCB快速制造3D打印机组

技术领域

本发明属于PCB制造技术领域，特别是涉及一种PCB快速制造3D打印机组。

背景技术

目前印制电路板(PCB)制造主要采用传统的蚀刻加丝网印刷方法；这种方法涉及的设备多达几十台，结构复杂且投入昂贵，需要专业人员进行操作；PCB板生产周期长，一般需数天甚至更长时间；生产过程有几十道工序，排放包含铜、有毒废水、氨氮和其他多种污染物；材料利用率较低，生产过程各种原料均有不同程度浪费，且能耗高。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的PCB快速制造3D打印机组。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种PCB快速制造3D打印机组，其特征在于：包括钻孔喷针设备、喷墨字符设备以及压合设备；

所述的钻孔喷针设备包括钻孔喷针机箱和钻孔喷针三维驱动装置，钻孔喷针机箱的上部为钻孔喷针工作台，所述钻孔喷针工作台的上表面安装用于放置PCB板的钻孔喷针基板，在钻孔喷针工作台的上表面两侧对称安装有Y轴导轨，每个Y轴导轨上配装有Y轴移动滑块，所述Y轴移动滑块上垂直Y轴导轨方向均安装有Z轴导轨；两个Z轴导轨上均配装有Z轴移动滑块，两个Z轴移动滑块上安装X轴导轨，所述X轴导轨配装有沿X轴导轨移动的钻孔喷针机头，所述X轴导轨上还安装有光栅尺；

所述喷墨字符设备包括喷墨字符机架和喷墨字符三维驱动装置，所述喷墨字符机架的上部设有喷墨字符工作台，所述喷墨字符工作台的上表面安装用于放置PCB板的喷墨基板，在喷墨字符工作台的上表面两侧对称安装有Y轴导轨，每个Y轴导轨上配装有Y轴移动滑块，所述Y轴移动滑块上垂直Y轴导轨方向均安装有Z轴导轨；两个Z轴导轨上均配装有Z轴移动滑块，两个Z轴移动滑块上安装X轴导轨，所述X轴导轨配装有沿X轴导轨移动的喷墨机头，所述X轴导轨上还安装有光栅尺；

所述压合设备包括压合机箱和压合三维驱动装置，所述压合机箱的上表面安装有压合工作台，所述压合工作台上表面安装用于放置PCB板的压合基板，在压合工作台的上表面两侧对称安装有Y轴导轨，每个Y轴导轨上配装有Y轴移动滑块，所述Y轴移动滑块上垂直Y轴导轨方向均安装有Z轴导轨；两个Z轴导轨上均配装有Z轴移动滑块，两个Z轴移动滑块上安装X轴导轨，所述X轴导轨配装有沿X轴导轨移动的压合机头。

本发明还可以采用如下技术措施：

所述钻孔喷针机头包括安装在X轴导轨上的安装板背板，所述安装板背板上安装有钻孔组件和过孔喷针组件、驱动钻孔喷针机头沿X轴导轨移动的丝杠伺服驱动组件以及寻找PCB定位孔并记录坐标的CCD定位系统，所述钻孔组件包括安装在安装板背板上的提供钻孔动力的驱动电机，所述驱动电机的输出端与Z轴导轨平行，在驱动电机的输出端连接钻头组件。

所述过孔喷针组件包括安装在安装背板上部的电子墨水桶，所述电子墨水桶的出墨口通过出墨管连接三通阀，三通阀的另外两个接头一个连接将纳米级液态金属均匀地喷涂在PCB布板上的过孔内壁上的隔膜泵，所述隔膜泵连接驱动电机，另外一个接头连接过孔喷嘴，所述过孔喷嘴上安装有过孔喷针。

所述喷墨机头包括滑动安装在X轴导轨上的喷墨机头背板，安装在喷墨机头背板上的喷墨组件、带动喷墨机头沿X轴导轨移动的丝杠伺服驱动组件以及寻找PCB定位孔并记录坐标的CCD定位系统，所述喷墨机头背板的下端部安装有水平安装板，所述水平安装板的两侧对称安装有两组固化灯，每组固化灯均包括一个红外灯和一个UV紫外灯，两组固化灯之间水平安装板上安装喷墨组件，所述喷墨组件包括电子墨水喷头、阻焊剂喷头、印字符墨水喷头以及光敏树脂喷头；上述的电子墨水喷头、阻焊剂喷头、印字符墨水喷头以及光敏树脂喷头分别对应连接电子墨水桶、阻焊剂墨水桶、印字符墨水桶、光敏树脂墨水桶，所述电子墨水桶、阻焊剂墨水桶、印字符墨水桶、光敏树脂墨水桶连接柱塞泵，所述柱塞泵连接柱塞泵驱动电机，所述CCD定位系统安装在水平安装板的一端。

所述压合机头包括滑动安装在X轴导轨上的压合机头背板，所述压合机头背板上安装液压头组件以及带动压合机头沿X轴导轨移动的丝杠伺服驱动组件，所述压合机头背板的下部安装有水平压板，所述水平压板上安装有橡胶压辊。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明是基于数字喷墨技术的3D打印新装备、新工艺，运用纳米液态金属、光敏树脂等材料制造PCB板；本发明具有以下优点；

1.传统PCB板制造方法需使用多种专用设备，投入费用多且占地面积大；本发明集打孔、沉银、喷线、涂层、印字于一体，只需一套设备即可完成PCB整个生产制造过程，此项技术属于国际首创；

2.传统PCB板生产制造方法涉及四五十多道工序，生产过程复杂，尤其电镀和蚀刻过程耗费时间长，直接导致生产制造周期长、废品率高；本发明采用增材制造法,仅需几道工序即可完成PCB板生产制造，生产过程大大简化；喷墨打印速度比电镀、蚀刻快20倍以上，节省总工序时间60％以上，极大缩短生产制造时间，可靠性也显著提高；

3.传统PCB板生产制造主要采用机械加工、化学蚀刻形成线路等工艺完成，在此过程中各种化学药品用量大、消耗高，铜材利用率只有25％-30％，同时消耗大量的清洁水与电能；本发明采用全印制3D喷墨打印法，使用功能性油墨喷印出印制线、阻焊层、字符层制造PCB板，材料利用率在接近100％，能耗更低，成本更低，绿色生产；

4.传统PCB板生产制造过程中，几乎每道工序都有化学物质加入并产生废水排放，污染尤以制作电路图形、铜箔蚀刻、电镀等工序为重，造成大量的酸、碱、重金属等污染；本发明采用特殊的功能性油墨直接在绝缘基板上喷印出印制线、阻焊层、字符层，油墨利用率接近100％，几乎无污染物排放。

附图说明

图1是本发明钻孔喷针设备的结构示意图；

图2是钻孔喷针机头结构示意图；

图3是喷墨字符设备结构示意图；

图4是喷墨机头结构示意图；

图5是压合设备结构示意图。

图中：1、钻孔喷针设备；101、钻孔喷针机箱；102、钻孔喷针工作台；103、钻孔喷针基板；104、Y轴导轨；105、Y轴移动滑块；106、Z轴导轨；107、Z轴移动滑块；108、X轴导轨；109、钻孔喷针机头；119、安装板背板；129、钻孔组件；1290、驱动电机；1291、钻头组件；139、过孔喷针组件；1390、电子墨水桶；1391、三通阀；1392、隔膜泵；1393、驱动电机；1394、喷嘴；1395、喷针；149、丝杠伺服驱动组件；159、CCD定位系统；110、光栅尺；2、喷墨字符设备；201、喷墨字符机架；202、喷墨字符工作台；203、喷墨基板；204、Y轴导轨；205、Y轴移动滑块；206、Z轴导轨；207、Z轴移动滑块；208、X轴导轨；209、喷墨机头；219、喷墨机头背板；229、喷墨组件；2290、电子墨水喷头；2291、电子墨水桶；2292、阻焊剂喷头；2293、阻焊剂墨水桶；2294、印字符墨水喷头；2295、印字符墨水桶；2296、光敏树脂喷头；2297、光敏树脂墨水桶；2298、柱塞泵；2299、柱塞泵驱动电机；239、丝杠伺服驱动组件；249、CCD定位系统；259、水平安装板；269、红外灯；279、UV紫外灯；210、光栅尺；3、压合设备；301、压合机箱；302、压合工作台；303、压合基板；304、Y轴导轨；305、Y轴移动滑块；306、Z轴导轨；307、Z轴移动滑块；308、X轴导轨；309、压合机头；319、压合机头背板；329、液压头组件；339、丝杠伺服驱动组件；349、水平压板；359、橡胶压辊。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

一种PCB快速制造3D打印机组，包括钻孔喷针设备1、喷墨字符设备2以及压合设备3，上述三个设备均放置在水平地面上，组合形成一个3D打印机组，具体的安放位置根据实际需要可任意排布。

请参阅图1和图2，所述的钻孔喷针设备1包括钻孔喷针机箱101和钻孔喷针三维驱动装置，该三维驱动装置属于公知技术，即在三维驱动装置的带动下沿X、Y、Z方向移动；钻孔喷针机箱的上部为钻孔喷针工作台102，所述钻孔喷针工作台的上表面安装用于放置PCB板的钻孔喷针基板103，在钻孔喷针工作台的上表面两侧对称安装有Y轴导轨104，每个Y轴导轨上配装有Y轴移动滑块105，所述Y轴移动滑块上垂直Y轴导轨方向均安装有Z轴导轨106；两个Z轴导轨上均配装有Z轴移动滑块107，两个Z轴移动滑块上安装X轴导轨108，所述X轴导轨配装有沿X轴导轨移动的钻孔喷针机头109，所述X轴导轨上还安装有光栅尺110；

所述钻孔喷针机头109包括安装在X轴导轨上的安装板背板119，所述安装板背板上安装有钻孔组件129和过孔喷针组件139、驱动钻孔喷针机头沿X轴导轨移动的丝杠伺服驱动组件149以及寻找PCB定位孔并记录坐标的CCD定位系统159，利用CCD定位系统结合计算机计算孔位的偏差，与PCB布板上的定位进行对比，并补偿误差；所述钻孔组件129包括安装在安装板背板119上的提供钻孔动力的驱动电机1290，所述驱动电机的输出端与Z轴导轨平行，在驱动电机的输出端连接钻头组件1291，所述钻头组件属于公知技术主要包括机架和钻头，其工作原理也属于公知常识，再次不进行赘述。

所述过孔喷针组件139包括安装在安装背板上部的电子墨水桶1390，所述电子墨水桶的出墨口通过出墨管连接三通阀1391，三通阀的另外两个接头一个连接将纳米级液态金属均匀地喷涂在PCB布板上的过孔内壁上的隔膜泵1392，所述隔膜泵连接驱动电机1393，另外一个接头连接过孔喷嘴1394，所述过孔喷嘴上安装有过孔喷针1395。

请参阅图3和图4，所述喷墨字符设备2包括喷墨字符机架201和喷墨字符三维驱动装置，该三维驱动装置属于公知技术，即在三维驱动装置的带动下沿X、Y、Z方向移动；所述喷墨字符机架的上部设有喷墨字符工作台202，所述喷墨字符工作台的上表面安装用于放置PCB板的喷墨基板203，在喷墨字符工作台的上表面两侧对称安装有Y轴导轨204，每个Y轴导轨上配装有Y轴移动滑块205，所述Y轴移动滑块上垂直Y轴导轨方向均安装有Z轴导轨206；两个Z轴导轨上均配装有Z轴移动滑块207，两个Z轴移动滑块上安装X轴导轨208，所述X轴导轨配装有沿X轴导轨移动的喷墨机头209，所述X轴导轨上还安装有光栅尺210；

所述喷墨机头209包括滑动安装在X轴导轨上的喷墨机头背板219，安装在喷墨机头背板上的喷墨组件229、带动喷墨机头沿X轴导轨移动的丝杠伺服驱动组件239以及寻找PCB定位孔并记录坐标的CCD定位系统249，所述喷墨机头背板的下端部安装有水平安装板259，所述水平安装板的两侧对称安装有两组固化灯，每组固化灯均包括一个红外灯269和一个UV紫外灯279，两组固化灯之间水平安装板上安装喷墨组件229，所述喷墨组件包括电子墨水喷头2290、阻焊剂喷头2292、印字符墨水喷头2294以及光敏树脂喷头2296；上述的电子墨水喷头、阻焊剂喷头、印字符墨水喷头以及光敏树脂喷头分别对应连接电子墨水桶2291、阻焊剂墨水桶2293、印字符墨水桶2295、光敏树脂墨水桶2297，所述电子墨水桶、阻焊剂墨水桶、印字符墨水桶、光敏树脂墨水桶连接柱塞泵2298，所述柱塞泵连接柱塞泵驱动电机2299，所述CCD定位系统249安装在水平安装板259的一端。

请参阅图5，所述压合设备3包括压合机箱301和压合三维驱动装置，该三维驱动装置属于公知技术，即在三维驱动装置的带动下沿X、Y、Z方向移动；所述压合机箱的上表面安装有压合工作台302，所述压合工作台上表面安装用于放置PCB板的压合基板303，在压合工作台的上表面两侧对称安装有Y轴导轨304，每个Y轴导轨上配装有Y轴移动滑块305，所述Y轴移动滑块上垂直Y轴导轨方向均安装有Z轴导轨306；两个Z轴导轨上均配装有Z轴移动滑块307，两个Z轴移动滑块上安装X轴导轨308，所述X轴导轨配装有沿X轴导轨移动的压合机头309。

所述压合机头309包括滑动安装在X轴导轨上的压合机头背板319，所述压合机头背板上安装液压头组件329以及带动压合机头沿X轴导轨移动的丝杠伺服驱动组件339，所述压合机头背板的下部安装有水平压板349，所述水平压板上安装有橡胶压辊359。

本发明通过3D打印方式将功能性油墨打印成可直接使用的PCB板，是一种快速、绿色、高效的PCB板制造技术：

1.本发明可以直接喷涂印制线、阻焊剂、字符层、环氧树脂层，一次性完成PCB板制造，替代传统的压膜、曝光、显影、蚀刻、丝印工艺等PCB板制造工艺，具有制作时间短，能耗低、安全环保等特点；相对于当前PCB板生产过程来说，减少节省总工序时间60％以上(见表1)，材料利用率在接近100％；

2.本发明所述的PCB板3D打印机采用全新的PCB制造理念设计，集打孔、沉银、喷线、涂层、印字功能于一身，只需一套设备即可完成PCB生产制造，能极大地缩短PCB板制造时间，提高效率，降低成本；

3.本发明设计了一种全新的过孔沉银技术，采用特制的过孔喷针对PCB板过孔进行喷涂，代替常规污染重的沉铜工艺，具有导通率高、无毒环保等优点；

4.设计了全新的PCB板钻孔机及过孔喷针组件进行沉银，在传统的钻孔机的结构上，我们加入了过孔沉银部件，在钻孔后可以立即对过孔进行喷涂，之后采用红外灯固化，在过孔内形成导电层；

5.采用纳米银墨水打印PCB导线，取代传统金属铜线，具有更低的电阻率，也可打印、电阻器、传感器等电子元器件；具有无污染、工艺简单、速度快等特点；打印一张A4纸大小的纸基电路板，目前只需要十几分钟，且成本很低。

本发明运用3D打印技术，结合纳米级液态金属等新型材料直接印刷电子电路，是一项PCB板制造领域的革命性技术，同时也是3D打印技术的又一重大创新应用，将具有良好的发展前景。

本发明工作原理：1、工作时，首先根据PCB布板上的孔位图在基板103上钻出过孔和定位孔，然后进行CCD寻找定位孔并记录坐标，然后根据此坐标和孔位图计算过孔的坐标，通过伺服机构从钻孔机针库中选择所需尺寸的沉银喷针，运动到过孔坐标位置，喷针整件中的电机带动隔膜泵工作将纳米级液态金属均匀地喷涂到过孔内壁，固化后形成一定厚度的金属层。

2、喷墨字符设备，由带多喷头的3维喷墨打印设备，辅以丝杆伺服电机加光栅尺，红外固化装置、UV-LED固化装置，精密的大理石平台，并配置红外灯以及UV紫外灯跟随喷印固化装置组成；工作过程中，喷绘的同时就进行固化，能保证流水喷印的墨痕品质，喷印字符、导电线路等具有立体观感。

3、将喷墨基板放置在喷墨字符设备工作台上，然后进行CCD定位，同时计算机计算孔位偏差，与PCB布板图的定位孔进行对比，并补偿误差，定位后，使用纳米液态金属往复式扫描喷绘单面电子电路，类似于普通喷墨打印方式并在喷绘的同时用红外光加热固化墨水，形成表面印制线层，之后根据固化情况在其上喷绘阻焊层，加热固化后，在第一面喷印字符说明，印字面向上。如果是多层板需再打印一层光敏树脂介电层并用UV紫外光固化。

4、使用压合设备，将多个导电图形层用热压的方法，其间以绝缘材料相隔，经层压、粘合而成多层PCB。

5.模压后再次进行二次钻孔沉银，保证粘合面导通。

6.最后进行通、断路飞针检测。

表1 传统PCB生产工艺与3D打印加成法工艺对比

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种PCB快速制造3D打印机组，其特征在于：包括钻孔喷针设备、喷墨字符设备以及压合设备；

2.根据权利要求1所述的PCB快速制造3D打印机组，其特征在于：所述钻孔喷针机头包括安装在X轴导轨上的安装板背板，所述安装板背板上安装有钻孔组件和过孔喷针组件、驱动钻孔喷针机头沿X轴导轨移动的丝杠伺服驱动组件以及寻找PCB定位孔并记录坐标的CCD定位系统，所述钻孔组件包括安装在安装板背板上的提供钻孔动力的驱动电机，所述驱动电机的输出端与Z轴导轨平行，在驱动电机的输出端连接钻头组件。

3.根据权利要求2所述的PCB快速制造3D打印机组，其特征在于：所述过孔喷针组件包括安装在安装背板上部的电子墨水桶，所述电子墨水桶的出墨口通过出墨管连接三通阀，三通阀的另外两个接头一个连接将纳米级液态金属均匀地喷涂在PCB布板上的过孔内壁上的隔膜泵，所述隔膜泵连接驱动电机，另外一个接头连接过孔喷嘴，所述过孔喷嘴上安装有过孔喷针。

4.根据权利要求1所述的PCB快速制造3D打印机组，其特征在于：所述喷墨机头包括滑动安装在X轴导轨上的喷墨机头背板，安装在喷墨机头背板上的喷墨组件、带动喷墨机头沿X轴导轨移动的丝杠伺服驱动组件以及寻找PCB定位孔并记录坐标的CCD定位系统，所述喷墨机头背板的下端部安装有水平安装板，所述水平安装板的两侧对称安装有两组固化灯，每组固化灯均包括一个红外灯和一个UV紫外灯，两组固化灯之间水平安装板上安装喷墨组件，所述喷墨组件包括电子墨水喷头、阻焊剂喷头、印字符墨水喷头以及光敏树脂喷头；上述的电子墨水喷头、阻焊剂喷头、印字符墨水喷头以及光敏树脂喷头分别对应连接电子墨水桶、阻焊剂墨水桶、印字符墨水桶、光敏树脂墨水桶，所述电子墨水桶、阻焊剂墨水桶、印字符墨水桶、光敏树脂墨水桶连接柱塞泵，所述柱塞泵连接柱塞泵驱动电机，所述CCD定位系统安装在水平安装板的一端。

5.根据权利要求1所述的PCB快速制造3D打印机组，其特征在于：所述压合机头包括滑动安装在X轴导轨上的压合机头背板，所述压合机头背板上安装液压头组件以及带动压合机头沿X轴导轨移动的丝杠伺服驱动组件，所述压合机头背板的下部安装有水平压板，所述水平压板上安装有橡胶压辊。