CN108819223A - 一种基于3d打印的内部三维结构电路一体化制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于3D打印的内部三维结构电路一体化制作方法，包括以下步骤：建立所需加工的结构电路一体化部件的三维模型文件；将三维模型文件导入切片软件中进行分层切片与参数设置并生成打印程序；将生成的程序导入3D打印机进行实体模型打印和导电介质填充；对打印的模型放入固化箱进行固化；将模型从固化箱内取出，测试模型是否能够正常工作。本发明工序极少，工艺简单，免装配，生产周期短，尤其适合于产品的设计研发与小批量个性化生产。

Description

一种基于3D打印的内部三维结构电路一体化制作方法
技术领域
本发明属于一种3D打印技术，特别涉及一种一种基于3D打印的内部三维结构电路一体化制作方法。
背景技术
结构电路是指分布产品内部或表面、具有导电功能的三维电路。传统结构电路加工工艺方法首先利用机床加工出特定结构的金属件，根据零件的形状制作与之相匹配的模具，再利用注塑工艺将金属件与导线固定包覆在塑料内，最终形成具有导电通道的结构件。现有技术中，针对三维结构电路已有一些方案。例如，公开号CN106449423A公开了一种基于选区激光烧结技术制备具有导电通道的结构件的方法，通过选区烧结技术与电沉积技术相结合，将打印好的结构件放入硫酸铜溶液中进行电沉积获得导电通道。公开号CN104244588B公开一种立体电路的制作方法及改性激光烧结粉末材料，激光扫描含有适合激光表面活化的改性激光烧结粉末材料，对特定区域扫描形成表面活化区域，将打印部件进行化学镀方式获得导电通道。上述两种方式均采用了化学电镀的方式，涉及溶液配比，操作流程复杂，制造成本高昂，线路成型精度不可控。公开号CN106817846A公开了一种基于3D打印的液态金属立体电路制作方法，采用3D打印技术打印带有中空流道、灌注口/排气口的实体，使用微量注射系统将液态金属注满中空流道，封堵灌注口/排气口。上述方法灌注困难，线路封闭性要求高，设备造价维护费用不菲。
发明内容
本发明提出了一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，包括以下步骤：
步骤一，建立所需加工的内部三维结构电路一体化部件的三维模型文件，该三维结构电路一体化部件由基体和在基体中具有三维结构的导电通道组成；
步骤二，将三维模型文件导入切片软件中进行分层切片与参数设置并生成打印程序；
步骤三，将生成的程序导入3D打印机进行实体模型打印和导电介质填充；
步骤四，对打印的模型放入固化箱进行固化；
步骤五，将模型从固化箱内取出，制备成内部三维结构一体化电路，将内部三维结构一体化电路进行测试，确定能否正常工作。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
步骤一中，三维模型文件中，导电通道的位置用空槽代替。
步骤二中，分层切片设置如下：在垂直的导电通道空槽位置不设置支撑，在导电通道空槽位置，每打印一层或多层基体，就插入一次暂停语句，并设置暂停时间。
步骤二中的参数包括基体打印速度、XYZ轴移动速度、喷嘴直径、出丝宽度、单层层厚、基板预热温度、喷头加热温度。
步骤三中，打印含有水平的导电通道的结构层时，每打印一层或两层，3D打印机喷头移动到基板边缘并暂停一定时间，控制导电介质挤出机构运动到导电通道空槽并挤出导电介质填充导电通道空槽后退回到基板边缘，3D打印机喷头移动到打印待基体表面，继续打印。
所述的基体材料为ABS、PLA、HIPS、PC、PC-ABS、光敏树脂、PEEK、尼龙、陶瓷中的一种或多种。
所述的导电介质包含金属、金属合金、金属导电油墨、碳系导电油墨、导电聚合物中的一种或几种，其中金属导电油墨固含量超过60%。
所述的导电介质粘度需在10000-20000cps。
导电介质材料选用汉思HS-8200Ag导电银浆，固含量为60%-75%，浆料方阻< 12 mΩ/口，粘度10000-20000cps，细度<10um。
步骤四中将打印好的模型倒置放入固化箱内固化。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明通过将3D成型技术与导电介质挤出机构配合使用，解决了利用传统加工方式难以在结构部件内部加工出导电通道的问题；
(2)本发明利用3D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，解决了垂直电路难成型问题；
(3)本发明加工出来的结构电路一体化部件可完全摒弃复杂的电缆接线，使该部件大幅减重；
(4)本发明工序极少，工艺简单，免装配，生产周期短，尤其适合于产品的设计研发与小批量个性化生产。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明的结构电路一体化部件打印方法示意图。
图3是本发明的结构电路一体化部件整体结构示意图。
图4为不同尺寸待打印实体结构示意图。
其中附图标记为：1为导电介质挤出机构，2为导电介质，3为待打印实体，4为基体打印喷头，5为基板，6为升降台，2-1、2-2、2-3、2-4为不同宽度的导电介质。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，包括以下步骤：
步骤一，建立所需加工的结构电路一体化部件的三维模型文件；
步骤二，将三维模型文件导入切片软件中进行分层切片与参数设置并生成打印程序；
步骤三，将生成的程序导入3D打印机进行实体模型打印和导电介质填充；
步骤四，对打印的模型放入固化箱进行固化；
步骤五，将模型从固化箱内取出，测试模型是否能够正常工作。
步骤一中，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3所示，对需要布置导电通道的位置用空槽代替（图2中黑色部分为填充导电介质的导电通道），建模完成后保存为STL文件。导电通道预留位置截面形状可根据需求任意改变，其最小截面积应根据3D打印成型机床及导电介质挤出机构精度设置。
步骤二中，分层切片设置如下：在导电线路悬垂位置不设置支撑；在导电空槽位置，每打印一层或多层基体插入暂停语句，设置暂停时间。导电空槽截面越宽，可加工表面积越大，单层所需导电介质越多，则打印暂停间隔层由每一层增加到每两层至每多层，可减少暂停次数，提高打印效率。暂停时间间隔需保证导电介质挤出机构完成当前层导电线路的打印。
步骤二中，参数包括基体打印速度、XYZ轴移动速度、喷嘴直径、出丝宽度、单层层厚、基板预热温度、喷头加热温度。
步骤三中，打印有导电电路水平层时，每打印2层时，3D打印机喷头移动到基板边缘并暂停一定时间，控制导电介质挤出机构运动到导电线路空槽并挤出银浆后退回到基板边缘，3D打印机喷头移动到打印待基体表面，继续打印；这样层层打印，最终叠加成部件实体。
步骤三中，基体材料包含ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料）、PLA（聚丙交酯）、HIPS（耐冲击性聚苯乙烯）、PC(聚碳酸酯)、PC-ABS、光敏树脂、PEEK、尼龙、陶瓷或其他组合。
步骤三中，导电介质包含金属（例如镓、铟等低熔点金属），金属合金（例如铜合金、铝合金、锡合金），金属导电油墨（例如金系导电油墨、银系导电油墨、铜系导电油墨、镍系导电油墨），碳系导电油墨、导电聚合物（例如聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚对苯乙烯撑和聚双炔等），其中金属导电油墨固含量超过60%。由于导电介质粘度过低构建电路时流动性高、电路形态不稳定，导电介质粘度过高不利于挤出机构挤出及导电材料分散，因此所选导电介质粘度需在10000-20000cps左右。
步骤四中，将上述打印生成实体从基板上取出，倒置放入固化箱内固化，倒置可减少打印过程中重力对线路流动的影响。根据导电介质性质不同，采用相应的 导电介质固化方式。具体固化方式包含激光固化、欧姆固化，感应固化，辐射固化，热固化等或其他处理方法。
步骤五中，将结构部件从固化箱内取出，去除结构支撑，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。
实现上述方法的系统包括导电介质挤出机构1、基体打印喷头4、基板5、升降台6。导电介质挤出机构1中设置导电介质。基体打印喷头4设置基体材料。升降台6带动待打印实体上下移动。
实施例一
一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，本实例采用FDM熔融沉积工艺成型三维结构电路，于实施例中，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3所示，对需要布置导电通道的位置用空槽代替，这里设置截面为0.4mm×0.4mm的正方形（如图4中2-1），建模完成后保存为STL文件。
（2）将三维模型STL文件导入到切片软件中进行分层切片与参数设置，基体打印速度40mm/s，X、Y、Z轴移动速度为100mm/s，喷嘴直径0.4mm，出丝宽度0.4mm，单层层厚0.2mm，基板预热温度60℃，喷头加热温度200℃。导电线路悬垂位置，不设置支撑。在导电空槽位置，每打印一层或多层基体，插入暂停语句，设置暂停时间。本实例中水平方向导电线路每打印1层暂停一次，垂直方向导电线路每打印1层暂停一次，暂停时间15秒，生成相应的程序并导出。
（3）将以上生成的程序导入到FDM熔融沉积成形机床的控制系统内进行实体模型的打印，打印设置如下参数：导电介质挤出机构挤出头直径0.4-0.6mm,移动速率50mm/s-100mm/s。用基体材料打印图3中色实体2A，基材选用PLA，用导电介质材料打印结构件中的导电线路2B，导电介质材料选用汉思HS-8200Ag 导电银浆，固含量为60%-75%，浆料方阻<12 mΩ/口，粘度10000-20000cps，细度<10um，打印在有导电电路水平层时，打印每2层时，FDM喷头移动到基板边缘并暂停15秒时间，控制导电介质挤出机构运动到导电线路空槽，挤出银浆，退回到基板边缘，FDM喷头移动到打印待基体表面，继续打印。这样层层打印，最终叠加成部件实体。
（4）将上述打印生成实体从基板上取出，倒置放入干燥箱内干燥，倒置可减少打印过程中重力对线路流动的影响。设置干燥箱温度70°，保温时间4小时。
（5）将结构部件从干燥箱内取出，去除结构支撑，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。
实施例二
将实施例一中步骤（1）（2）（4）的参数做如下替换。
（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3所示，对需要布置导电通道的位置用空槽代替，这里设置截面为0.8mm×0.8mm的正方形（如图4中2-2），建模完成后保存为STL文件。
（2）将三维模型STL文件导入到切片软件中进行分层切片与参数设置，基体打印速度40mm/s，X、Y、Z轴移动速度为100mm/s，喷嘴直径0.4mm，出丝宽度0.4mm，单层层厚0.2mm，基板预热温度60℃，喷头加热温度200℃。导电线路悬垂位置，不设置支撑。在导电空槽位置，每打印一层或多层基体，插入暂停语句，设置暂停时间。本实例中水平方向导电线路每打印2层暂停一次，垂直方向导电线路每打印1层暂停一次，暂停时间20秒，生成相应的程序并导出。
（4）将上述打印生成实体从基板上取出，倒置放入干燥箱内干燥，倒置可减少打印过程中重力对线路流动的影响。设置干燥箱温度70°，保温时间5小时。
实施例三
将实施例一中步骤（1）（2）（4）的参数做如下替换。
（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3所示，对需要布置导电通道的位置用空槽代替，这里设置截面为1.2mm×1.2mm的正方形（如图4中2-3），建模完成后保存为STL文件。
（2）将三维模型STL文件导入到切片软件中进行分层切片与参数设置，基体打印速度40mm/s，X、Y、Z轴移动速度为100mm/s，喷嘴直径0.4mm，出丝宽度0.4mm，单层层厚0.2mm，基板预热温度60℃，喷头加热温度200℃。导电线路悬垂位置，不设置支撑。在导电空槽位置，每打印一层或多层基体，插入暂停语句，设置暂停时间。本实例中水平方向导电线路每打印2层暂停一次，垂直方向导电线路每打印2层暂停一次，暂停时间30秒，生成相应的程序并导出。
（4）将上述打印生成实体从基板上取出，倒置放入干燥箱内干燥，倒置可减少打印过程中重力对线路流动的影响。设置干燥箱温度70°，保温时间6小时。
实施例四
将实施例一中步骤（1）（2）（4）的参数做如下替换。
（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3所示，对需要布置导电通道的位置用空槽代替，这里设置截面为1.6mm×1.6mm的正方形（如图4中2-4），建模完成后保存为STL文件。
（2）将三维模型STL文件导入到切片软件中进行分层切片与参数设置，基体打印速度40mm/s，X、Y、Z轴移动速度为100mm/s，喷嘴直径0.4mm，出丝宽度0.4mm，单层层厚0.2mm，基板预热温度60℃，喷头加热温度200℃。导电线路悬垂位置，不设置支撑。在导电空槽位置，每打印一层或多层基体，插入暂停语句，设置暂停时间。本实例中水平方向导电线路每打印3层暂停一次，垂直方向导电线路每打印2层暂停一次，暂停时间45秒，生成相应的程序并导出；
（4）将上述打印生成实体从基板上取出，倒置放入干燥箱内干燥，倒置可减少打印过程中重力对线路流动的影响。设置干燥箱温度70°，保温时间7小时。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一，建立所需加工的内部三维结构电路一体化部件的三维模型文件，该三维结构电路一体化部件由基体和在基体中具有三维结构的导电通道组成；
步骤二，将三维模型文件导入切片软件中进行分层切片与参数设置并生成打印程序；
步骤三，将生成的程序导入3D打印机进行实体模型打印和导电介质填充；
步骤四，对打印的模型放入固化箱进行固化；
步骤五，将模型从固化箱内取出，制备成内部三维结构一体化电路，将内部三维结构一体化电路进行测试，确定能否正常工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：步骤一中，三维模型文件中，导电通道的位置用空槽代替。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：
步骤二中，分层切片设置如下：在垂直的导电通道空槽位置不设置支撑，在导电通道空槽位置，每打印一层或多层基体，就插入一次暂停语句，并设置暂停时间。
4.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：
步骤二中的参数包括基体打印速度、XYZ轴移动速度、喷嘴直径、出丝宽度、单层层厚、基板预热温度、喷头加热温度。
5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：
步骤三中，打印含有水平的导电通道的结构层时，每打印一层或两层，3D打印机喷头移动到基板边缘并暂停一定时间，控制导电介质挤出机构运动到导电通道空槽并挤出导电介质填充导电通道空槽后退回到基板边缘，3D打印机喷头移动到打印待基体表面，继续打印。
6.根据权利要求1-5所述的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：所述的基体材料为ABS、PLA、HIPS、PC、PC-ABS、光敏树脂、PEEK、尼龙、陶瓷中的一种或多种。
7.根据权利要求1-5所述的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：所述的导电介质包含金属、金属合金、金属导电油墨、碳系导电油墨、导电聚合物中的一种或几种，其中金属导电油墨固含量超过60%。
8.根据权利要求7所述的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：所述的导电介质粘度需在10000-20000cps。
9.根据权利要求8所述的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：导电介质材料选用汉思HS-8200Ag导电银浆，固含量为60%-75%，浆料方阻< 12 mΩ/口，粘度10000-20000cps，细度<10um。
10.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的内部三维结构一体化电路的制作方法，其特征是：步骤四中将打印好的模型倒置放入固化箱内固化。
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