CN106863770B - 基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法，其特征是首先建立三维模型，并预留出导电通道位置，利用双喷头熔融沉积机床实现结构件单层基体与导电通道外边缘分开打印，再使用机床外三倍频Nd：YAG激光扫描导电通道的外边缘使其活化，如此层层循环，即完成部件实体的成形，最终将实体放进镀铜溶液中进行电镀，使预留的导电通道内充满金属铜，即完成加工。本发明方法可实现结构部件内复杂三维电路的一体化打印，工艺简单，免装配，在航空航天与精密电子电器领域有着良好的应用前景。

Description

基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法
技术领域
本发明涉及一种3D打印技术，尤其是一种三维模型互连3D-MID的技术，具体地说是一种基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法。
背景技术
三维模型互连3D-MID（Three-dimensional Moulded Interconnect Device的缩写）技术，是在注塑成型的塑料壳体上，制作有电气功能的导线、图形，从而将普通的电路板的电气互连功能、支承元器件的功能和塑料壳体的支撑、防护等功能实现于一个器件上，形成立体的、集机电功能于一体的电路载体，即三维模塑互连器件。现已在汽车、工业、计算机、通讯等领域得到应用。
激光直接成形LDS（Laser Direct Structuring）技术是3D-MID领域的最新研究方向，该技术引入激光成形技术，利用激光使添加有机金属复合物的改性材料活化，再结合化学镀方法，将设计的电路图案用激光转移到塑料壳体表面。它突破了传统MID技术的一些限制，其产品在电气性能、结构和抗氧化性能方面有突出的优点，现已经成功运用到手机天线等零部件的制作上。
但是LDS技术并没有实现整体部件的结构电路一体化制作，其只能在零部件表面生成简单的二维导电通道，若要生成内部导电通道还需要复杂的装配过程，所以应用领域受到极大限制。
因此，有必要寻找一种全新的可以在结构部件内部加工出复杂三维导电通道的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中无法在结构部件内部加工出复杂三维导电通道的问题，发明一种基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法。
本发明的技术方案是：
一种基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法，其特征在于，将熔融沉积成形技术、激光活化技术以及电镀技术相结合，实现结构电路一体化部件的层层打印，具体包括步骤如下：
1）在建模软件中建立所需加工的结构电路一体化部件的三维模型，预留出导电通道的位置并用薄壁圆管代替；
2）利用切片软件对上述三维模型进行分层切片，生成扫描切片程序并导入熔融沉积成形机床加工程序中；
3）控制熔融沉积成形机床内的双喷头按层分别打印基体和薄壁圆管部分，成形完每一层，利用外投射激光扫描薄壁圆管切片层表面，如此循环往复，直至完成整个结构部件实体加工；
4）将打印好的结构部件取出干燥后放入镀铜溶液中电镀，镀完经后处理完成加工。
作为导电通道的薄壁圆管的内径为0.5～2mm，壁厚小于或等于0.5mm。
在切片控制程序中指定其中一个喷头打印基体部分，另一个喷头打印薄壁圆管部分；打印完一层，双喷头归零位一次。
打印基体的材料采用普通PLA丝材，打印导电通道外边缘的材料为添加有机金属复合物及粘结剂的PLA丝材，直径均为0.8～1.0mm。
熔融沉积基板的预热温度为60～100℃；熔融沉积成形机床整体内环境保温在30～60℃。
双喷头独立设计，可实现分开控制，双喷头的每个喷嘴的内径0.2mm，穿丝孔径1.0～1.5mm；单次打印层厚0.02mm。
外投射激光采用三倍频Nd：YAG激光器，功率2～7W，波长355nm。
打印好的结构部件取出去除打印实体的支撑后使其干燥，再放入硫酸铜电镀溶液中镀铜，电镀层厚度为0.5～2mm。
本发明的有益效果：
1.将LDS技术的工艺方法优化并创新性地运用到熔融沉积成形技术上，解决了利用现有加工方式难以在结构部件内部加工出复杂三维导电通道的问题；
2.利用熔融沉积成形技术，实现了部件基体与导电通道的一体化分层打印，可打印出任意复杂的三维导电通道；
3.本发明工序极少，工艺简单，免装配，生产周期短、成本低，尤其适合于产品的设计研发与小批量生产。
附图说明
图1是本发明结构电路一体化部件的打印装置结构示意图。
图2是本发明结构电路一体化部件的整体结构示意图。
图3是本发明的结构电路一体化部件的内部细节示意图。
图中，1、Nd：YAG激光器及其振镜系统，2、待打印实体，3、支撑，4、双喷头，5、基板，6、升降台，2A、预留导电通道，2B、Nd：YAG激光扫描活化层，2C、导电金属电镀层。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图1-3所示。
一种基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法，具体包括步骤如下：
（1）运用计算机中的三维建模软件建立所需加工的结构电路一体化部件的三维模型，如图2所示，对需要布置导电通道的位置用薄壁圆管代替，薄壁圆管内直径0.5-2mm，壁厚不超过0.5mm，建模完成后保存为STL文件。
（2）将三维模型导入到切片软件中进行添加支撑、分层切片、路径规划与参数设置，指定左喷头打印实体的基体部分，右喷头打印薄壁圆管部分，打印层厚为0.02mm，生成相应的程序并导出；
（3）将以上生成的程序导入到熔融沉积成形机床的控制系统内，打印实体前，先完成穿丝工作，左喷头穿普通PLA丝材（直径为0.8-1.0毫米），右喷头穿含有机金属复合物的PLA丝材（直径也为0.8-1.0毫米）；将基板5预热至60-100（最佳80）℃，机床密封加热保温至30-60（最好为60）℃。
（4）开始打印，喷头加热至220℃，在打印每一层时，左喷头先打实体的基体部分，当打到薄壁圆管部分时，切换至右喷头开始打印，切换时间不超过1秒，一层打完后两个喷头均归零位，开启三倍频Nd：YAG激光器（功率2～7W，波长355nm）通过其振镜扫描该层薄壁圆管切片层表面，使其粗糙活化，有金属原子出露形成薄金属层，这样层层打印，最终打印出整个实体；
（4）将打印成功的部件实体取出去支撑，然后置于硫酸铜电镀溶液中进行电镀，打印的结构部件因其薄壁圆管处经Nd:YAG激光活化后表面粗糙且有金属原子出露，故表面会生成电镀层，当导电通道内电镀铜层厚度达到0.5mm时取出该结构部件。
（5）将电镀完的结构部件清洗，打磨，抛光并去除溢镀层，测试结构部件是否能够正常工作，导电通道是否可以导通，最终完成具有导电通道的结构件的加工。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法，其特征在于，将熔融沉积成形技术、激光活化技术以及电镀技术相结合，实现结构电路一体化部件的层层打印，具体包括步骤如下：
1）在建模软件中建立所需加工的结构电路一体化部件的三维模型，预留出导电通道的位置并用薄壁圆管代替；
2）利用切片软件对上述三维模型进行分层切片，生成扫描切片程序并导入熔融沉积成形机床加工程序中；
3）控制熔融沉积成形机床内的双喷头按层分别打印基体和薄壁圆管部分，成形完每一层，利用外投射激光扫描薄壁圆管切片层表面，如此循环往复，直至完成整个结构部件实体加工；
4）将打印好的结构部件取出干燥后放入镀铜溶液中电镀，镀完经后处理完成加工；
作为导电通道的薄壁圆管的内径为0.5～2mm，壁厚小于或等于0.5mm；
打印基体的材料采用普通PLA丝材，打印导电通道外边缘的材料为添加有机金属复合物及粘结剂的PLA丝材，直径均为0.8～1.0mm。
2.根据权利要求1所述的基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法，其特征在于在切片控制程序中指定其中一个喷头打印基体部分，另一个喷头打印薄壁圆管部分；打印完一层，双喷头归零位一次。
3.根据权利要求1所述的基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法，其特征在于熔融沉积基板的预热温度为60～100℃；熔融沉积成形机床整体内环境保温在30～60℃。
4.根据权利要求1所述的基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法，其特征在于双喷头喷嘴的内径0.2mm，穿丝孔径1.0～1.5mm；单次打印层厚0.02mm。
5.根据权利要求1所述的基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法，其特征在于外投射激光采用三倍频Nd：YAG激光器，功率2～7W，波长355nm。
6.根据权利要求1所述的基于熔融沉积成形技术的结构电路一体化部件的制作方法，其特征在于打印好的结构部件取出去除打印实体的支撑后使其干燥，再放入硫酸铜电镀溶液中镀铜，电镀层厚度为0.5～2mm。
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