CN108770215A - 一种3d打印电路板加工方法及其喷头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D打印电路板加工方法及其打印喷头，方法包括以下步骤：利用三维建模软件设计待打印的电路板结构模型，以及随电路板结构形状分布的电路线路；利用切片软件将所述电路板结构模型和电路线路进行分层切片，识别各切片层中电路板的结构信息和导电线路信息；同时对导电线路信息中的导电线路接头处进行标记；将识别的电路板的结构信息、导电线路信息和导电线路接头处信息输入至FDM设备中，启动3D打印机打印；根据电路板的结构信息进行逐层沉积成型；根据导电线路信息和标记的导电线路接头处信息进行沉积成型时按预设工艺条件进行逐层打印；本发明提供的方案，提高了布线效率，扩大了布线面积，工艺相对环保、符合当前发展需求。

Description

一种3D打印电路板加工方法及其喷头

技术领域

本发明属于电路板加工技术领域，具体涉及一种3D打印电路板加工方法及其打印喷头。

背景技术

现有电子产品已经大量进进人们的日常生活，并且需求量巨大；现有电子产品制造的核心在于电路板的制造；现有的电路板分为单层板、双面板、多层板三类，在应对更复杂的应用需求时，多层板因多层结构，并且在层间布建通孔连通各层电路，可大大增加布线面积等优点，而得到广泛应用。

传统电路板的制作，特别是在面对复杂电路布线时，因工艺限制，在空间结构的利用上有较大的限制；如电路板的连接不同层间电路的盲孔与通孔，非常占用电路板上有限的空间，使电路板不能更高密度的布线，影响使用效率；另外，传统电路板因工艺原因，有工业“三废”污染的问题。

FDM式3D打印是熔融挤出丝材进行堆积成型的，挤出的丝材再细，与3D打印的上一层连接时都有间隙存在，通过逐层累加，直接导致整体成型的致密度不够，而当对导电材料进行FDM方式3D打印加工电路板时，传统FDM工艺会因间隙的存在，特别是在层与层间的线头连接处，造成导电线路之间接触面积不能保证，增大电阻，影响电路稳定性和干扰电信号传输。

现有中国专利申请 CN201510765460.8中，公开了一种3D打印电路板的制作方法，该方法没有解决当对导电材料进行FDM方式3D打印加工电路板时，传统FDM工艺会因间隙的存在，特别是在层与层间的线头连接处，造成导电线路之间接触面积不能保证，增大电阻，影响电路稳定性和干扰电信号传输的问题。

现有中国专利申请CN201610203638.4.中，公开了一种3D打印电路板的制作方法，该方法中提到的3D打印机结构极复杂、设备成本较高、使用成本均高、制造方法复杂。

基于上述电路板的制造中存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种3D打印电路板加工方法及其打印喷头,旨在解决现有电路板的制作成本高、质量低的问题。

本发明提供一种3D打印电路板加工方法，包括以下步骤：

S1：利用三维建模软件设计待打印的电路板结构模型，以及随电路板结构形状分布的电路线路；

S2：利用切片软件将所述电路板结构模型和电路线路进行分层切片，识别各切片层中电路板的结构信息和导电线路信息；同时对导电线路信息中的导电线路接头处进行标记；

S3：将识别的电路板的结构信息、导电线路信息和导电线路接头处信息输入至FDM设备中，启动3D打印机打印；

S4：根据电路板的结构信息进行逐层沉积成型；

S5：根据导电线路信息和标记的导电线路接头处信息进行沉积成型时按如下工艺条件进行逐层打印：

当打印导电线路时，导电材料以导电材料熔点以上的第一出料温度及第一出料速度打印；

当打印导电线路接头处时，导电材料以第二出料温度及第二出料速度打印，第二出料温度及第二出料速度高于第一出料温度及第一出料速度。

进一步地，导电材料为导电树脂；第一出料温度为210-225℃，第一出料速度为45-55cm³/h。

进一步地，所述导电材料为导电树脂；第二出料温度为228℃-240℃，第二出料速度为50-60cm³/h。

进一步地，导电材料为导电树脂；第一出料温度为220℃，第一出料速度为50cm³/h；第二出料温度为232℃，第二出料速度为58cm³/h。

进一步地，第二出料温度在240℃-228℃的范围内沿梯度逐步降低。

进一步地，梯度变化的温度按1-5℃/min为梯度进行降低。

进一步地，在步骤S2中，识别电路板结构信息时，还对需要包裹出料的绝缘部分进行标记，并将其输入FDM设备中，进行3D打印。

进一步地，包裹出料是以绝缘树脂包裹导电材料的方式同时出料打印；包裹出料的出料温度为210~240摄氏度，出料速度为40~60 cm³/h。

本发明还提供一种上述所述的3D打印电路板加工方法的喷头，包括有出料装置、加热块以及供料管；加热块套设于出料装置上，用于对打印材料进行加热；出料装置内设有出料通道；出料装置底部还设有出料口，出料口与出料通道连通；供料管与出料通道连通，用于向出料通道提供打印材料进一步地，供料管包括有中心供料管和边缘供料管；出料通道包括有中心出料通道和边缘出料通道；出料口包括有中心出料口和边缘出料口；中心供料管与中心出料通道连通；边缘供料管与边缘出料通道连通；中心出料口与中心出料通道连通；边缘出料口边缘出料通道连通。

本发明提供的3D打印电路板加工方法及其打印喷头，以较低的成本解决了现有3D打印的导电材料、绝缘材料在熔融堆积成型时,由于间隙的存在，特别是在3D打印层与层间导电线路接头处，造成的导电线路之间接触面积不能保证,导电线路的导电性和信号传输能力不佳的问题；同时该方法提高了布线效率，扩大了布线面积，工艺相对环保、符合当前发展需求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图 1 为本发明一种3D打印电路板加工方法流程图；

图2 为本发明一种3D打印喷头的结构示意图；

图3 为本发明一种3D打印喷头的立体图；

图4 为本发明一种3D打印喷头的出料口结构示意图。

图中：1、供料管定位装置；2、出料装置；3、加热块；4、出料口；41、中心出料口；42、边缘出料口；5、中心供料管；6、边缘供料管；7、边缘供料管；8、中心出料通道；9、边缘出料通道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图 1所示，本发明提供一种3D打印电路板加工方法，包括以下步骤：

S1：利用三维建模软件设计待打印的电路板结构模型，以及随电路板结构形状分布的电路线路；具体包括，将待打印的电路板3D数字模型文件，转成STL格式，再导入相适配的3D打印机专属软件内；

S2：利用切片软件将电路板结构模型和电路线路的STL文件进行分层切片，识别各切片层中电路板的结构信息和导电线路信息；同时对导电线路信息中的导电线路接头处进行标记；

S3：将识别的电路板的结构信息、导电线路信息和导电线路接头处信息输入至FDM设备中，启动3D打印机打印；FDM 设备和3D打印机结构均为现有的 FDM 3D打印机，再次不在详细说明；进一步地，在3D打印过程中，3D打印喷头是一种喷头打印一种材料，由多喷头完成电路板的打印；同时也可以是由一种喷头打印多种材料，完成电路板的打印；也可以是混合种类喷头系统组成；

S4：根据电路板的结构信息进行逐层沉积成型；

S5：根据导电线路信息和标记的导电线路接头处信息进行沉积成型时按如下工艺条件进行逐层打印：

当打印导电线路时，导电材料以导电材料熔点以上的第一出料温度及第一出料速度打印；其中，3D打印导电线路的材料性能类似传统电路板铜线；3D打印绝缘材料性能类似传统电路板绝缘材料，有绝缘、耐火、抗老化等特点；

当打印导电线路接头处时，导电材料以第二出料温度及第二出料速度打印，第二出料温度及第二出料速度高于第一出料温度及第一出料速度；具体为，电路板FDM 3D打印的导电线路层与层之间接头连接处的接头时，通过预设的控制算法，控制导电材料熔融挤出的材料总量、温度与速度来达到控制打印电路板的效果；

采用上述方案，在打印电路板过程中，通过上、下层包裹性填充导电线路，可以使导电线路3D打印的上层211和刚打印完成的下一层212之间的间隙由221，缩小为基本贴合的231，从而增大导电线路接触面积，保证电路板的导电性能和信号传输稳定性；同时，在打印电路板一般线路出料口时出料口111和出料口121，可进行包裹性出料出料311，以起到对一般导电线路的绝缘密封；出料口121还可以对电路板中，没有导电线路部分进行填充目的的，绝缘材料打印，并留出导电材料的接头的部分，以确保电路板的完整性。

优选地，结合上述方案，本实施例中，导电材料为导电树脂；第一出料温度为210-225℃，第一出料速度为45-55cm³/h；进一步地，第二出料温度为228℃-240℃，第二出料速度为50-60cm³/h；进一步地，第二出料温度在236℃→232℃→225℃范围内进行梯度变化，具体可以是在240℃-228℃的范围内沿梯度逐步降低；进一步地，第一出料温度为220℃，第一出料速度为50cm³/h；第二出料温度为232℃，第二出料速度为58cm³/h；其中，梯度变化的温度按1-5℃/min为梯度进行降低；本发明提供的3D打印电路板加工方法是在3D打印导电部分材料时，特别是在进行导电线路上下层接头连接处打印时，FDM 3D打印机熔融挤出采用具有一定梯度或固定的略大于同一电路板一般线路的出料温度，使导电材料在高温下，依靠重力作用和导电材料本身的流动性，再加上特定的出料速度，对3D打印的上层的导电线路进行包裹性填充，使其层与层之间接头连接处的连接的更致密，接触面积变大，保证电路的稳定性，该方法主要是模拟注塑补缩过程；同时采用FDM 3D打印包裹出料喷头密封电路板导电部分，减少加载高压或热胀冷缩原因造成短路和高精密电路板的信号干扰问题；采用特定的出料量和特定的出料速度，并在最后采用包裹出料方式3D打印，可以将电路板导电部分进行较好的包裹性密封。

优选地，结合上述方案，本实施例中，在上述步骤S2中，识别电路板结构信息时，还对需要包裹出料的绝缘部分进行标记，并将其输入FDM设备中，进行3D打印；3D打印绝缘材料当采用3D打印喷头包裹出料时，其热收缩性能与导电材料基本一致；进一步地，包裹出料是以绝缘树脂包裹导电材料的方式同时出料打印；包裹出料的出料温度为210~240摄氏度，出料速度为40~60 cm³/h；采用上述3D打印喷头包裹出料，还可以解决因FDM方式3D打印间隙，造成的绝缘材料之间也存在打印间隙，当进行高密度布线时，线与线之间间隙小，在加载高压或因热胀冷缩，很容易造成短路和高精密电路板的信号干扰的问题，包裹出料可以彻底将电路板导电部分进行较好的密封，待导电部分和包裹绝缘部分打印完成后，还可以对每层的未3D打印部分进行绝缘填充。

相应地，结合上述方案，如图2至图4所示，本发明还提供一种上述所述的3D打印电路板加工方法的喷头，包括有出料装置2、加热块3以及供料管；加热块3套设于出料装置2上，用于对打印材料进行加热；出料装置2内设有出料通道；出料装置底部还设有出料口4，出料口4与出料通道连通；供料管与出料通道连通，用于向出料通道提供打印材料；本发明提供的3D打印喷头，是通过包裹出料的方式，完成3D打印；3D打印喷头包裹出料可以解决因FDM方式3D打印间隙，造成的绝缘材料之间也存在打印间隙，当进行高密度布线时，线与线之间间隙小；因为在加载高压或因热胀冷缩，很容易造成短路和高精密电路板的信号干扰的问题，包裹出料可以有效将电路板导电部分进行较好的密封。

优选地，结合上述方案，如图2至图4所示，本实施例中，供料管包括有中心供料管5和边缘供料管6；中心供料管5和边缘供料管6通过供料管定位装置1固定设置在一起；其中，中心供料管5固定在供料管定位装置1的中心位置，边缘供料管6固定在供料管定位装置1的两侧；出料通道包括有中心出料通道8和边缘出料通道9，中心出料通道8沿出料装置2轴向设置于出料通道的中心位置，边缘出料通道9设置于出料装置的内侧面上；出料口4包括有中心出料口41和边缘出料口42；中心供料管5与中心出料通道8连通；边缘供料管7与边缘出料通道9连通；中心出料口41与中心出料通道8连通；边缘出料口42和边缘出料通道9连通，从而实现出料口同时出料填充打印。

优选地，结合上述方案，如图2至图4所示，本实施例中，中心供料管5和边缘供料管6分别单独控制中心出料口41和边缘出料口42进行出料；具体地，中心供料管5通过中心出料通道8单独控制中心出料口41进行出料；边缘供料管6通过边缘出料通道9单独控制边缘出料口42进行出料；当需要进行单种材料出料打印时，只有中心出料口41或边缘出料口42中的一个出料，另一个暂停工作；打印喷头的打印状态分别在包裹出料——只边缘出料——只中心出料中互相切换时，每次完成切换完成时，都需暂停打印，利用自动的刮刀将喷头上多余打印材料刮除后，再开始切换到下一个打印状态进行打印。

结合上述方案，打印开始后，FDM 3D打印机根据打印机的命令，开始出料打印，当需要包裹性出两种料时，边缘出料通道9通过边缘供料管7机构开始运动，将3D打印线材推入边缘出料口42；同时，中心出料通道8通过中心供料管5的机构也开始运动，将3D打印线材推入中心出料口41，在边缘出料口42和中心出料口41里均有常见的挤料机构将材料挤过加热块3，从而将3D打印线材变成熔融状态，通过控制供料速度和出料速度，以实现边缘出料口42刚好包裹覆盖中心出料口41所处之料，以实现包裹出料。

本发明提供的3D打印电路板加工方法及其打印喷头，以较低的成本解决了现有3D打印的导电材料、绝缘材料在熔融堆积成型时,由于间隙的存在，特别是在3D打印层与层间导电线路接头处，造成的导电线路之间接触面积不能保证,导电线路的导电性和信号传输能力不佳的问题；同时该方法提高了布线效率，扩大了布线面积，工艺相对环保、符合当前发展需求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种3D打印电路板加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用三维建模软件设计待打印的电路板结构模型，以及随电路板结构形状分布的电路线路；

S2：利用切片软件将所述电路板结构模型和电路线路进行分层切片，识别各切片层中电路板的结构信息和导电线路信息；同时对所述导电线路信息中的导电线路接头处进行标记；

S3：将识别的电路板的结构信息、导电线路信息和导电线路接头处信息输入至FDM设备中，启动3D打印机打印；

S4：根据电路板的结构信息进行逐层沉积成型；

S5：根据导电线路信息和标记的导电线路接头处信息进行沉积成型时按如下工艺条件进行逐层打印：

当打印导电线路时，导电材料以导电材料熔点以上的第一出料温度及第一出料速度打印；

当打印导电线路接头处时，导电材料以第二出料温度及第二出料速度打印，所述第二出料温度及第二出料速度高于第一出料温度及第一出料速度。

2.根据权利要求1所述的3D打印电路板加工方法，其特征在于，所述导电材料为导电树脂；所述第一出料温度为210-225℃，所述第一出料速度为45-55cm³/h。

3.根据权利要求1所述的3D打印电路板加工方法，其特征在于，所述导电材料为导电树脂；所述第二出料温度为228℃-240℃，所述第二出料速度为50-60cm³/h。

4.根据权利要求1所述的3D打印电路板加工方法，其特征在于，所述导电材料为导电树脂；所述第一出料温度为220℃，所述第一出料速度为50cm³/h；所述第二出料温度为232℃，所述第二出料速度为58cm³/h。

5.根据权利要求1或2所述的3D打印电路板加工方法，其特征在于，所述第二出料温度在240℃-228℃的范围内沿梯度逐步降低。

6.根据权利要求5所述的3D打印电路板加工方法，其特征在于，所述梯度变化的温度按1-5℃/min为梯度进行降低。

7.根据权利要求1所述的3D打印电路板加工方法，其特征在于，在所述步骤S2中，识别所述电路板结构信息时，还对需要包裹出料的绝缘部分进行标记，并将其输入FDM设备中，进行3D打印。

8.根据权利要求7所述的3D打印电路板加工方法，其特征在于，所述包裹出料是以绝缘树脂包裹导电材料的方式同时出料打印；包裹出料的出料温度为210~240摄氏度，出料速度为40~60 cm³/h。

9.一种根据权利要求1所述的3D打印电路板加工方法的喷头，其特征在于，包括有出料装置、加热块以及供料管；所述加热块套设于所述出料装置上，用于对打印材料进行加热；所述出料装置内设有出料通道；所述出料装置底部还设有出料口，所述出料口与所述出料通道连通；所述供料管与所述出料通道连通，用于向所述出料通道提供打印材料。

10.根据权利要求9所述的3D打印电路板加工方法的喷头，其特征在于，所述供料管包括有中心供料管和边缘供料管；所述出料通道包括有中心出料通道和边缘出料通道；所述出料口包括有中心出料口和边缘出料口；所述中心供料管与所述中心出料通道连通；所述边缘供料管与所述边缘出料通道连通；所述中心出料口与所述中心出料通道连通；所述边缘出料口边缘出料通道连通。