CN106111981B - 一种三维结构电子器件的3d打印制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，先根据待成形件的性能要求，设计三维结构电子器件中电路的空间分布和基体结构的几何尺寸，建立三维CAD的模型，按照加工方向对模型进行分层处理，得到每层截面的材料分布，编写打印头集成装置和工作平台的相对运动程序，然后选定符合性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料，再打印基材，在工作平台上形成基体结构，再切换打印头，打印导线，运动机构带动工作平台下降一个分层厚度，重复打印基材和打印导线的打印过程，直至打印完全部基体结构和导线，得到结构电子，本发明实现导线与基体绝缘介质的同步打印，进而实现三维空间任意排布。
Description
技术领域
本发明涉及结构电子制造技术领域，具体涉及一种三维结构电子器件的3D打印制造方法。
背景技术
结构电子是指电路与电子元件按照一定的三维空间布局，附着或镶嵌于基体结构上，形成的三维电气结构。其核心特征是：电气部分具有三维空间布局，使空间利用率提高，体积减小；基体结构具有三维形态，使结构电子整体具备一定的力学性能。利用这些有益特性，结构电子可用于制造大量的新型电子器件，实现功能与结构的一体化，如曲面共形结构电子器件、超级传感器结构电子器件、抗压结构电子器件等。
结构电子传统制造工艺的线路附着于基板，基板为二维平面薄板，线路只能二维排布，难以实现新型结构电子器件的制造。目前为止仅有少量的研究对结构电子制造进行了尝试：如将电路印刷在柔性平板上，通过折弯平板获得一定程度的三维尺寸，但此方法在本质上仍然是二维印刷，在垂直于平板的方向上并不能自由设计和制造电路，制造出的实质上是二维或是2.5维的结构；又如用光固化成型工艺加工出三维基体结构，然后在基体结构外表面采用直写工艺制造导电线路。此方法虽然采用了三维基体结构，但其电路只存在于基体结构外表面，是二维线路的组合，并未实现三维空间任意排布。由此可见，现有工艺方法不能满足具有功能-结构一体化的结构电子器件的制造需求，需要工艺创新来实现新型三维结构电子器件的制造。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，实现导线与基体绝缘介质的同步打印，进而实现三维空间任意排布。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，包括以下步骤：
1)根据待成形件的性能要求，设计三维结构电子器件中电路的空间分布和基体结构的几何尺寸，建立三维CAD的模型；按照加工方向对模型进行分层处理，得到每层截面的材料分布，编写打印头集成装置1和工作平台2的相对运动程序；
2)选定符合性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料，导线打印材料是铜锡合金、银锡合金、锡铅合金的低熔点金属丝，或是纳米银离子凝胶溶液、导电高分子水凝胶的导电墨水，或是铝粉、铜粉的金属粉末，基体结构打印材料为丝状ABS、PLA、PEEK绝缘性高分子材料；
3)打印基材，运动机构3运动到零点，打印头集成装置1上的基材打印头4从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面，基材打印头4按照当前层预定轨迹进行运动，同时绝缘性的基体丝材5从基体结构材料丝盘6出发，经过张紧、牵引进入基材打印头4，加热熔融后，进入基材打印喷嘴7并被挤出沉积在工作平台2上形成基体结构8；
4)切换打印头，打印头集成装置1上的基材打印头4从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头9、导电墨水打印头10或金属粉末打印头11中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面；
5)打印导线，采用金属丝材作为原材料时，金属丝材12从金属丝材丝盘13中出发，经过张紧、牵引进入金属丝打印头9，经加热熔融后在压力作用下到达金属丝打印喷嘴14并被挤出，沉积在基体结构8上，形成电路中的导线15，金属丝材12选择铜锡合金、银锡合金或铅锡合金；
采用导电墨水作为原材料时，导电墨水16在压力的作用下，经导管17从导电墨水溶液腔18进入导电墨水打印头10，然后进入导电墨水喷嘴19并被挤出，沉积在基体结构8上，形成电路中的导线15，导电墨水16选择纳米银离子凝胶溶液或导电高分子水凝胶；
采用金属粉末作为原材料时，金属粉末20在压力的作用下，从金属粉末盒21进入金属粉末打印头11，然后进入金属粉末嘴22，并被喷出、嵌入基体结构8，形成电路中的导线15，金属粉末20选择铜粉、钛粉或铝粉；
6)运动机构3带动工作平台2下降一个分层厚度，重复打印基材和打印导线的打印过程，直至打印完全部基体结构和导线，得到结构电子23。
所述的打印头集成装置1包括喷头安装台24，喷头安装台24为倒置的圆台形状，其顶面和底面是圆形平面，喷头安装台24的侧面和底面有呈十字交叉型的4个档位槽，4个档位槽在喷头安装台24的底面中心位置相交，档位槽内分别安装着基材打印头4、金属丝打印头9、导电墨水打印头10和金属粉末打印头11，这4个打印头都能够在各自的档位槽内滑动；在喷头安装台24的顶面连接有连接头25，连接头25用于连接喷头安装台24和打印机的运动机构3，喷头安装台24顶面还连接有基体结构材料丝盘6、金属丝材丝盘13、导电墨水溶液腔18和金属粉末盒21，基体丝材5、金属丝材12从喷头安装台24顶面的小孔进入喷头安装台24内部，然后分别进入基材打印头4、金属丝打印头9；导电墨水16通过导管17与导电墨水打印头10连接，导管17穿过喷头安装台24内部；金属粉末20从金属粉末盒21出发，经过喷头安装台24内部的管道进入金属粉末打印头11。
打印基体结构时，基材打印头4从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，打印导线时，基材打印头4从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头9、导电墨水打印头10或金属粉末打印头11中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，打印导线，如此往复交替，实现基体结构和导线的同步打印。
本发明的有益效果为：
通过对3D打印过程的控制，实现导线与基体绝缘介质的同步打印，实现功能-结构一体化的三维结构电子器件的快速制造。此方法具有诸多优点:有利于提高结构的电路密度、减小结构的占用空间，三维基体结构使结构电子器件获得了力学承载功能；在制造过程中不会产生污染物，环境友好性佳；由于3D打印逐层制造的工艺特点，此方法可用于快速、低成本地制造异形、结构复杂的结构电子器件。因此，这一发明的应用将有助于电子器件向着小体积、高集成性、高环境友好性、高力学性能、高形态适用性的方向发展，在卫星通讯、国防军事、生物医疗、工业生产、民生等领域都具有一定的应用前景。
附图说明
图1是本发明结构电子3D打印原理示意图。
图2是本发明打印头集成装置1结构示意图。
图3是结构电子23的结构示意图。
图4是喷头安装台24的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，包括以下步骤：
1)参照图1，根据待成形件的性能要求，设计三维结构电子器件中电路的空间分布和基体结构的几何尺寸，建立三维CAD的模型；按照加工方向对模型进行分层处理，得到每层截面的材料分布，编写打印头集成装置1和工作平台2的相对运动程序；
2)选定符合性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料，导线打印材料是铜锡合金、银锡合金、锡铅合金的低熔点金属丝，或是纳米银离子凝胶溶液、导电高分子水凝胶的导电墨水，或是铝粉、铜粉的金属粉末，基体结构打印材料为丝状ABS、PLA、PEEK绝缘性高分子材料；
3)参照图1、图2与图3，打印基材，运动机构3运动到零点，打印头集成装置1上的基材打印头4从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面，基材打印头4按照当前层预定轨迹进行运动，同时绝缘性的基体丝材5从基体结构材料丝盘6出发，经过张紧、牵引进入基材打印头4，加热熔融后，进入基材打印喷嘴7并被挤出沉积在工作平台2上形成基体结构8；
4)参照图2，切换打印头，打印头集成装置1上的基材打印头4从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头9、导电墨水打印头10或金属粉末打印头11中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面；
5)参照图2、图3，打印导线，采用金属丝材作为原材料时，金属丝材12从金属丝材丝盘13中出发，经过张紧、牵引进入金属丝打印头9，经加热熔融后在压力作用下到达金属丝打印喷嘴14并被挤出，沉积在基体结构8上，形成电路中的导线15，金属丝材选择铜锡合金、银锡合金或铅锡合金；
采用导电墨水作为原材料时，导电墨水16在压力的作用下，经导管17从导电墨水溶液腔18进入导电墨水打印头10，然后进入导电墨水喷嘴19并被挤出，沉积在基体结构8上，形成电路中的导线15，导电墨水选择纳米银离子凝胶溶液或导电高分子水凝胶；
采用金属粉末作为原材料时，金属粉末20在压力的作用下，从金属粉末盒21进入金属粉末打印头11，然后进入金属粉末嘴22，并被喷出、嵌入基体结构8，形成电路中的导线15，金属粉末选择铜粉、钛粉或铝粉；
6)参照图1与图3，运动机构3带动工作平台2下降一个分层厚度，重复打印基材和打印导线的打印过程，直至打印完全部导线和基体结构，得到结构电子23。
参照图2与图4，所述的打印头集成装置1包括喷头安装台24，喷头安装台24为倒置的圆台形状，其顶面和底面是圆形平面，喷头安装台24的侧面和底面有呈十字交叉型的4个档位槽，4个档位槽在喷头安装台24的底面中心位置相交，档位槽内分别安装着基材打印头4、金属丝打印头9、导电墨水打印头10和金属粉末打印头11，这4个打印头都能够在各自的档位槽内滑动；在喷头安装台24的顶面连接有连接头25，连接头25用于连接喷头安装台24和打印机的运动机构3，喷头安装台24顶面还连接有基体结构材料丝盘6、金属丝材丝盘13、导电墨水溶液腔18和金属粉末盒21，基体丝材5、金属丝材12从喷头安装台24顶面的小孔进入喷头安装台24内部，然后分别进入基材打印头4、金属丝打印头9；导电墨水16通过导管17与导电墨水打印头10连接，导管17穿过喷头安装台24内部；金属粉末20从金属粉末盒21出发，经过喷头安装台24内部的管道进入金属粉末打印头11。
打印基体结构时，基材打印头4从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，打印导线时，基材打印头4从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头9、导电墨水打印头10或金属粉末打印头11中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，打印导线，如此往复交替，实现基体结构和导线的同步打印。
本发明提出的打印方法，电子电路采用金属丝材或导电墨水、金属粉末等导电材料为原材料，采用材料挤出成型或喷射成型3D打印工艺进行制造；基体结构采用丝状ABS、PLA、PEEK、介电复合材料等绝缘性材料为原材料，采用挤出成型3D打印工艺制造。打印出的基体结构是绝缘结构同时也是力学承载结构，此方法可实现电子电路的三维空间排布，有利于提高结构的电路密度、减小结构的占用空间；可制造经过设计的三维基体结构，从而使三维结构电子器件获得合适的力学承载能力；在制造过程中不会产生污染物，环境友好性佳；由于3D打印逐层制造的工艺特点，可用于快速、低成本地制造异形、结构复杂的结构电子器件。因此，这一发明将有助于电子器件向着小体积、高集成性、高环境友好性、高力学性能、高形态适用性的方向发展。
Claims (3)
1.一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据待成形件的性能要求，设计三维结构电子器件中电路的空间分布和基体结构的几何尺寸，建立三维CAD的模型；按照加工方向对模型进行分层处理，得到每层截面的材料分布，编写打印头集成装置(1)和工作平台(2)的相对运动程序；
2)选定符合性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料，导线打印材料是铜锡合金、银锡合金或锡铅合金的低熔点金属丝，或是纳米银离子凝胶溶液或导电高分子水凝胶的导电墨水，或是铝粉或铜粉的金属粉末，基体结构打印材料为丝状ABS、PLA或PEEK绝缘性高分子材料；
3)打印基材，运动机构(3)运动到零点，打印头集成装置(1)上的基材打印头(4)从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面，基材打印头(4)按照当前层预定轨迹进行运动，同时绝缘性的基体丝材(5)从基体结构材料丝盘(6)出发，经过张紧、牵引进入基材打印头(4)，加热熔融后，进入基材打印喷嘴(7)并被挤出沉积在工作平台(2)上形成基体结构(8)；
4)切换打印头，打印头集成装置(1)有4个打印头，打印头集成装置(1)上的基材打印头(4)从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头(9)、导电墨水打印头(10)或金属粉末打印头(11)中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面；
5)打印导线，采用金属丝材作为原材料时，金属丝材(12)从金属丝材丝盘(13)中出发，经过张紧、牵引进入金属丝打印头(9)，经加热熔融后在压力作用下到达金属丝打印喷嘴(14)并被挤出，沉积在基体结构(8)上，形成电路中的导线(15)，金属丝材(12)选择铜锡合金、银锡合金或铅锡合金；
采用导电墨水作为原材料时，导电墨水(16)在压力的作用下，经导管(17)从导电墨水溶液腔(18)进入导电墨水打印头(10)，然后进入导电墨水喷嘴(19)并被挤出，沉积在基体结构(8)上，形成电路中的导线(15)，导电墨水(16)选择纳米银离子凝胶溶液或导电高分子水凝胶；
采用金属粉末作为原材料时，金属粉末(20)在压力的作用下，从金属粉末盒(21)进入金属粉末打印头(11)，然后进入金属粉末嘴(22)，并被喷出、嵌入基体结构(8)，形成电路中的导线(15)，金属粉末(20)选择铜粉、钛粉或铝粉；
6)运动机构(3)带动工作平台(2)下降一个分层厚度，重复打印基材和打印导线的打印过程，直至打印完全部基体结构和导线，得到结构电子(23)。
2.根据权利要求1所述的一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，其特征在于：所述的打印头集成装置(1)包括喷头安装台(24)，喷头安装台(24)为倒置的圆台形状，其顶面和底面是圆形平面，喷头安装台(24)的侧面和底面有呈十字交叉型的4个档位槽，4个档位槽在喷头安装台(24)的底面中心位置相交，档位槽内分别安装着基材打印头(4)、金属丝打印头(9)、导电墨水打印头(10)和金属粉末打印头(11)，这4个打印头都能够在各自的档位槽内滑动；在喷头安装台(24)的顶面连接有连接头(25)，连接头(25)用于连接喷头安装台(24)和打印机的运动机构(3)，喷头安装台(24)顶面还连接有基体结构材料丝盘(6)、金属丝材丝盘(13)、导电墨水溶液腔(18)和金属粉末盒(21)，基体丝材(5)、金属丝材(12)从喷头安装台(24)顶面的小孔进入喷头安装台(24)内部，然后分别进入基材打印头(4)、金属丝打印头(9)；导电墨水(16)通过导管(17)与导电墨水打印头(10)连接，导管(17)穿过喷头安装台(24)内部；金属粉末(20)从金属粉末盒(21)出发，经过喷头安装台(24)内部的管道进入金属粉末打印头(11)。
3.根据权利要求2所述的一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，其特征在于：打印基体结构时，基材打印头(4)从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，打印导线时，基材打印头(4)从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头(9)、导电墨水打印头(10)或金属粉末打印头(11)中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，打印导线，如此往复交替，实现基体结构和导线的同步打印。
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