CN106313573A

CN106313573A - 一种嵌入式电子产品3d打印方法

Info

Publication number: CN106313573A
Application number: CN201610780599.4A
Authority: CN
Inventors: 兰红波; 杨建军; 朱晓阳
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2017-01-11

Abstract

本发明公开了一种嵌入式电子产品3D打印方法，包括以下步骤：步骤1：采用熔融沉积3D打印出电子产品的基础层和结构层；步骤2：根据预先设定的暂停位置，暂停熔融沉积3D打印，将电子元件嵌入到结构层的设定位置；步骤3：采用电喷印3D打印出电子元件间的连接电路；步骤4：电路完全固化后，若电子产品为单层结构，则直接转到步骤5；若电子产品为多层结构，则重复步骤1‑3，直至完成最后一层结构打印；步骤5：采用熔融沉积3D打印出电子产品顶层结构，以及完成电子产品封装结构的打印。本发明实现了高效、低成本、高分辨率嵌入式电子产品一体化制造，材料、结构与器件的一体化制造。

Description

一种嵌入式电子产品3D打印方法

技术领域

本发明属于增材制造和电子产品技术领域，具体涉及一种嵌入式电子产品3D打印方法。

背景技术

3D打印技术实现了几乎任意复杂结构的制造，目前已经被应用于航空航天、组织工程、生物医疗、汽车、家电、新材料、新能源、机器人、建筑等诸多领域，显示了广阔的应用前景。随着3D打印技术的快速发展，近年3D打印已经开始被应用于电子行业，为柔性电子、可穿戴设备、智能传感、嵌入式电子产品、功能性结构电子产品、物联网RFID、光电子、智能结构等新一代电子产品的开发提供一种全新的制造方法，尤其是为嵌入式电子产品开发和一体化制造提供了一种全新的解决方案。

嵌入式电子产品(功能性结构电子)是近年伴随增材制造技术的发展而出现的一种新型的电子产品，在打印物体结构同时，将传感器、控制器、驱动器、天线、电池等电子元件同时嵌入到被打印的结构中，并将一些简单的电路、连接电路等直接打印出来，真正实现功能性结构电子产品一体化制造。与传统的电子产品相比，嵌入式电子产品展示出一些独特的优势和显著的特点；(1)结构紧凑、轻量化、免组装、可靠性高、制造周期短、生产成本低；(2)尤其是在某些特殊领域和极端环境例如航空航天、高密闭性产品(嵌入式电子产品整个外壳是一个无缝的整体，具有很好的防尘、防水的功能)等显示出一些特有的优势。此外，嵌入式电子产品还颠覆了传统机电产品和电子产品开发的理念，为许多创新性产品的开发提供了一种全新的思路和解决方案。电子产品3D打印已经成为当前国际上3D打印领域的研究热点之一。

嵌入式电子产品3D打印是一种典型的多材料、多尺度3D打印技术，打印材料包括结构材料(塑料、聚合物、陶瓷、金属等)、导电材料、介电材料(绝缘材料)等多种材料，打印图形的分辨率高，打印的特征尺寸涉及宏/微跨尺度，尤其是打印一些电子元件和连接电路还涉及亚微尺度甚至纳尺度图形打印。但是，目前一方面能够真正实现嵌入式电子产品制造的3D打印机种类很少，另外，已开发的电子产品3D打印设备非常昂贵，尤其是打印的分辨率较低(难以实现亚微尺度/纳尺度图形的打印)，可供打印的材料种类有限，不能满足许多嵌入式电子产品的实际工程需求。已经严重影响和制约了嵌入式电子产品的发展和广泛应用，迫切需要开发新型嵌入式电子产品3D打印工艺、装备和材料。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，解决现有3D打印技术在实现嵌入式电子产品一体化制造方面存在的技术问题，本发明结合熔融沉积(FDM)和电喷印技术，提供一种嵌入式电子产品3D打印方法，实现高效、低成本、高分辨率嵌入式电子产品一体化制造，为材料、结构与器件的一体化制造提供一种新型解决方案。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种嵌入式电子产品3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1：采用熔融沉积3D打印出电子产品的基础层和结构层；

步骤2：根据预先设定的暂停位置，暂停熔融沉积3D打印，将电子元件嵌入到结构层的设定位置；

步骤3：采用电喷印3D打印出电子元件间的连接电路；

步骤4：电路完全固化后，若电子产品为单层结构，则直接转到步骤5；若电子产品为多层结构，则重复步骤1-3，直至完成最后一层结构打印；

步骤5：采用熔融沉积3D打印出电子产品顶层结构，以及完成电子产品封装结构的打印。

首先采用熔融沉积3D打印制造电子产品的结构；利用熔融沉积3D打印中断暂停功能，暂停打印时在结构层内嵌入电子元件(例如传感器、控制器、驱动器、天线、电池等)；以导电材料为打印材料，使用电喷印3D打印制造电子元件间的连接电路。采用熔融沉积3D打印和电喷印3D打印技术结合制造嵌入式电子产品，打印过程方便快捷高效。

所述步骤3中，打印完连接电路后，还可以在结构层内嵌入电子元器件。在结构层内可以嵌入电阻、电感、电容、天线等电子元器件，使嵌入式电子产品更能满足后续的工作需求。

所述步骤1中，打印结构层时，在结构层中打印出用于嵌入电子元件的预留孔槽，在孔槽之间打印出连接电路的预留沟槽。在结构层上打印预留孔槽，可以在后续电子元件嵌入时起到定位作用，嵌入更加方便快速；在结构层上打印预留沟槽，在后续连接电路打印时能起到定位作用，使连接电路的打印位置更加精确，另外还可以提高打印电路图形的分辨率。

所述步骤2中，电子元件嵌入结构层中的预留孔槽内。预留孔槽为电子元件嵌入的设定位置，在电子元件嵌入时可快速找准嵌入位置。

所述预留孔槽的深度与电子元件的高度相等。如此设置，可以保证电子元件很好的嵌合在结构层内，保证熔融沉积3D打印暂停后续继续打印时在预留孔槽上方继续打印。

所述步骤3中，以导电材料为打印材料，在结构层的预留沟槽内打印出连接电路。在预留沟槽内以导电材料打印连接电路，保证将两侧电子元件很好的连接。此外，还可以提高打印电路图形的分辨率。

若结构层采用导电材料为打印材料，在所述步骤4中，每层结构打印完成后，在结构上打印绝缘层。在能够导电的结构上打印绝缘层，保证嵌入式电子产品在使用中的功能要求，以及提高嵌入式电子产品的可靠性和安全性。

优选的，所述步骤1中，在电子产品的基础层或结构层设定位置打印出定位结构。用于电子产品打印过程中，更换工位或者重新放回原来位置时的精确定位。

采用电喷印3D打印时，打印喷嘴和放置电子产品的工作台之间的电源的输出脉冲电压为0.2-5KV，输出脉冲频率10Hz-1000Hz。

采用熔融沉积3D打印时，打印材料的温度低于步骤3中采用的导电材料的熔点。避免打印完的导电材料因后续打印加工过程而熔化，影响整个电子产品的打印。

本发明的有益效果：

本发明实现了高效、低成本、高分辨率嵌入式电子产品一体化制造，材料、结构与器件的一体化制造。

本发明电路的打印采用电喷印3D打印工艺，打印分辨率高，分辨率不受喷嘴直径的限制，能在喷嘴不易堵塞的前提下，实现亚微米、纳米尺度分辨率复杂三维微纳结构的制造；而且可用于电喷印的材料范围非常广泛，包括从绝缘聚合物到导电聚合物，从悬浊液到单壁碳纳米管溶液，从金属材料、无机功能材料到生物材料等。其显著的优势是兼容性好(适用材料广泛，以及高粘度液体)、成本低、结构简单、分辨率高等优点，尤其是对于高粘度液体能够打印出比喷头结构尺寸低一个数量级的图案；解决了目前电子产品3D打印分辨率低和可供打印材料种类有限两个难题。

本发明电子产品结构打印采用熔融沉积3D打印工艺，具有材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，设备操作简单，设备成本低，软硬件开源性高、普及率广等优势；而且与打印电路兼容性高。

本发明可供打印材料种类多、电路打印分辨率高、操作简单、成本低的优点，充分利用已有的3D打印设备，无需专用电子产品3D打印机。

本发明能够创建采用目前制造技术无法实现的新型电子产品。

附图说明

图1a-图1d为本发明嵌入式电子产品的打印过程示意图；其中，图1a为打印为结构层和孔槽、沟槽的示意图；图1b为嵌入电子元件后的示意图；图1c为打印完连接电路的示意图；图1d为打印完顶层结构的示意图；

图2为本发明基于嵌入式电子产品3D打印的工艺流程图；

图中，1打印的结构，101孔槽，102孔槽，103沟槽，2电子元件，3电子元件，4连接电路，5顶层结构，8电子产品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，嵌入式电子产品的3D打印方法，由以下步骤过程组成：

步骤1：根据电子产品结构、嵌入电子元件位置、电子元件之间连接电路的功能和实际要求进行一体化集成设计和优化，将设计结果输出熔融沉积3D打印机要求的文件格式；

步骤2：采用熔融沉积3D打印机制造电子产品结构(包括基本功能结构、嵌入电子元件预留孔槽结构，以及连接电子元件连接电路预留的沟槽结构等)；

步骤3：根据预先设定的暂停位置(第几层)，中断暂停3D打印机，从FDM 3D打印机工作台上卸下被打印结构，将需要嵌入的电子元件放置到预先设计位置(打印出的孔槽结构)中；

步骤4：以导电油墨为打印材料，使用电喷印3D打印制造连接电路，并嵌入一些简单电子元器件(如电阻、电感、电容、天线等)；

步骤5：电路后处理完全固化后，将被打印电子产品重新放置到FDM 3D打印机暂停前从工作台卸下的位置。如果被打印件是多层结构，进行第二层结构打印。重复执行以上步骤2至4，直至完成最后一层结构、电子元件的嵌入和连接电路的打印。如果不是多层结构，直接转到步骤6。

步骤6：完成剩余其它结构(顶层)的打印以及最后电子产品的封装。

熔融沉积3D打印可供打印的材料包括各种塑料(ABS、PLA、PC、PET等)、PEEK、尼龙、碳纤维材料、蜡、金属、介电材料等。

电喷印3D打印使用的导电墨水包括导电浆料、纳米银墨水、铜基3D打印导电墨水、Nano Dimension公司开发AgCite墨水、液态金属、UV导电油墨、其它纳米导电材料悬浮液。

结构材料如果是导电材料，每层结构打印完成后，还需要进行绝缘层材料(介电材料)的打印。

连接电路导电材料是一些诸如纳米银墨水、UV导电油墨等，每层电路打印(步骤4)完成后，需要进行烧结/固化后处理等工序，提高电路的导电性能。

在被打印电子产品结构设计时，需要设计辅助的定位结构，并打印出来，用于被打印产品在熔融沉积3D打印机和电喷印3D打印机工作台上卸下和重新放回原来暂停位置时的精确定位。

电喷印3D打印喷嘴和工作台之间的电源的输出脉冲电压为0.2-5KV，输出脉冲频率10Hz-1000Hz，打印喷头的进气压力为0.1-1bar。

熔融沉积3D打印的沉积到被打印结构材料上的温度不能高于所匹配导电材料的熔点。

步骤3中，熔融沉积3D打印完成每层结构的制造后，从FDM 3D打印机工作台上卸下被打印结构，放置被嵌入的电子元件之前，需要去除孔槽中的支撑。

在结构尺寸设计时，嵌入电子元件孔槽的设计要考虑到电子元件嵌入后与暂停层在同一平面，槽深为电子元件的厚度，保证中断暂停后继续打印该层面为一个平面。

基于熔融沉积3D打印时所设置层厚以及考虑产品实际结构，合理的设置暂停层的位置，设置暂停层高度为层厚的整数倍。

所打印的结构需要在两台3D打印机之间(FDM 3D打印机和电喷印3D打印机)多次装卸(取下、重新放回)，必须将被打印结构再次置于暂停前的同一位置。

导电油墨的选择需要综合考虑导电油墨的粘度、表面张力、导电性能、成本、后处理、油墨与基底的浸润性等多种因素。

本发明适用于柔性电子、可穿戴设备、智能传感、功能性结构电子产品、物联网、智能材料、复合智能结构、光电子、智能皮肤、结构性健康监测、机器人、无人机等领域，尤其适合嵌入式电子产品、可穿戴设备、软体机器人等领域。

以一层结构的电子产品为例，其工艺过程如图1a-图1d所示，具体打印制造过程如下：

本实施例嵌入式电子产品被打印结构材料是ABS塑料，电路打印的材料是导电银浆。

选择某一嵌入式电子产品8，根据功能要求设计的电路需要嵌入的电子元件分别是2和3，连接电子元件2和3的连接电路4，打印的结构1，包括嵌入电子元件1的孔槽101，嵌入电子元件2的孔槽102，连接电路沟槽103。

基于3D打印该嵌入式电子产品8一体化制造的具体过程：

步骤1：首先，根据电子产品8的功能要求，分别进行功能结构设计和电路设计；然后，在进行结构1、嵌入电子元件2和3、连接电路4集成一体化设计以及优化设计；最后，根据优化设计的结果，输出3D打印STL文件；

步骤2：电子产品结构打印材料选用ABS塑料，采用FDM 3D打印制造基础层(底层)和第一层结构1，在打印结构1的同时将用于嵌入电子元件2和电子元件3的孔槽101和孔槽102，以及连接电路的沟槽103同时打印出来，如图1a所示；

步骤3：打印到设定的暂停位置(第100层)，中断暂停FDM 3D打印，从FDM打印机工作台上取下被打印结构1，去除孔槽101和孔槽102和连接电路的沟槽103的支撑后，将需要嵌入的电子元件2和电子元件3放置到预先设计位置打印出的孔槽101和孔槽102中，如图1b所示；

步骤4：连接电路的打印材料选用导电银浆，结合先前打印的连接电路沟槽103，采用电喷印3D打印机制造出连接电路4，如图1c所示；

步骤5：连接电路完全固化后，将被打印电子产品重新放置到FDM 3D打印机暂停前的从工作台取下的位置。如果打印件是多层电路结构，进行第二层电路结构的打印。重复执行以上步骤2到步骤4，直至完成最后一层电路结构的打印，然后转到步骤6。如果不是多层结构，直接转到步骤6。本实施例所打印的电子产品8为单层结构1，直接转到步骤6。

步骤6：使用FDM 3D打印机完成顶层结构5的打印以及最后的封装，如图1d所示；

步骤7：完成电子产品8打印后，取下被打印件，进行电子产品8性能测试，包括机械性能和电学性能。

本实施例所用的导电银浆粘度6000～9000cp·s，玻璃化温度55℃，体积比电阻0.002Ω/cm，工作温度-55℃～100℃。使用丙酮作为稀释剂配制导电银浆溶液，导电银浆与丙酮的体积比为1:3。

本实施例FDM 3D打印机美国Stratasys公司的FDM 3D打印机Dimension Elite。

本实施例电喷印的工艺参数：喷印电压2500V，喷头移动速度20mm/s，喷头与基材的距离为0.05mm。电喷印打印完全部连接电路后，室温放置2～5小时，使其完全固化。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种嵌入式电子产品3D打印方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：采用熔融沉积3D打印出电子产品的基础层和结构层；

步骤3：采用电喷印3D打印出电子元件间的连接电路；

2.如权利要求1所述的打印方法，其特征是，所述步骤3中，打印完连接电路后，还可以在结构层内嵌入电子元器件。

3.如权利要求1所述的打印方法，其特征是，所述步骤1中，打印结构层时，在结构层中打印出用于嵌入电子元件的预留孔槽，在孔槽之间打印出连接电路的预留沟槽。

4.如权利要求3所述的打印方法，其特征是，所述步骤2中，电子元件嵌入结构层中的预留孔槽内。

5.如权利要求3或4所述的打印方法，其特征是，所述预留孔槽的深度与电子元件的高度相等。

6.如权利要求3所述的打印方法，其特征是，所述步骤3中，以导电材料为打印材料，在结构层的预留沟槽内打印出连接电路。

7.如权利要求1所述的打印方法，其特征是，若结构层采用导电材料为打印材料，在所述步骤4中，每层结构打印完成后，在结构上打印绝缘层。

8.如权利要求1所述的打印方法，其特征是，所述步骤1中，在电子产品的基础层或结构层设定位置打印出定位结构。

9.如权利要求1所述的打印方法，其特征是，采用电喷印3D打印时，打印喷嘴和放置电子产品的工作台之间的电源的输出脉冲电压为0.2-5KV，输出脉冲频率10Hz-1000Hz。

10.如权利要求6所述的打印方法，其特征是，采用熔融沉积3D打印时，打印材料的温度低于步骤3中采用的导电材料的熔点。