CN108901138B - 基于3d打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印陶瓷与金属线路一体化制备的方法，采用3D打印方法将陶瓷胚料进行打印堆叠成型，在打印过程中设置暂停动作，采用数字化点胶的方式将导电浆料布置于胚体预留槽内，恢复陶瓷胚体打印将线路层封装，通过两个过程交替完成内含金属线路陶瓷胚体打印。通过炉体烧结为陶瓷体，实现陶瓷体与金属化线路一体化制备。本发明将陶瓷的烧结过程和后期线路的烧结过程合为一道工序，省去了线路后续的二次封装。电子线路采用高温浆料或者已成型的金属材料，通过烧结实现低电阻率导线线路的制备，避免低温浆料引起电阻率增大、耐受性差及无法实现焊接的缺点。本发明可实现异形陶瓷结构件的功能化，满足陶瓷基电子产品高效、低成本一体化制造。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及了一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法。
背景技术
随着5G通信和无线充电等技术的快速发展，现有的以塑料作为介质材料的电子功能结构件，在介电损耗、耐高温、大功率、大电流等很多方面将难以满足工艺、技术和应用需求；而陶瓷基的电子功能结构件在介电损耗、耐高温、大功率、大电流等方面具有极为优异的综合性能。因此陶瓷基功能结构件具有重要的实际应用前景。在低温共烧陶瓷技术(LowTemperature Co-fired Ceramic LTCC)方面，由于是其技术特点为采用生瓷带布线叠层后共烧，针对异型无源器件的制造则难以实现，因此有待开发新的技术解决这一难题。传统陶瓷基金属线路图形的制备主要为在已成型的陶瓷基材上进行镀覆蚀刻、喷印及胶贴等方式。通过对比这些工艺过程可以发现，首先必须先将陶瓷基材进行模塑烧结成型后，在已成型的陶瓷体上再次进行二次加工，其中包括镀、蚀刻、烧结等工艺，且后续需要经过二次封装保护等。可以看到从陶瓷基金属线路的制造前端到后端整个过程，需要经过多个工艺过程流转，流转周期长、效率低。且针对复杂陶瓷结构模型制备金属线路，往往受到已成型陶瓷体结构的干涉，使得后期制备金属线路难度增大。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，利用3D打印技术实现在陶瓷基材结构的打印，在打印过程中将线路置于陶瓷体内部，将陶瓷的烧结过程和后期线路的烧结过程合为一道工序，省去了线路后续的二次封装。实现过程中电子线路采用高温浆料或者已成型的金属材料，通过烧结可以实现低电阻率导线线路的制备，避免了低温浆料引起的电阻率增大、耐受性差及无法实现焊接的缺点。采用陶瓷与线路一体化的制备可实现异形陶瓷结构件的功能化，满足陶瓷基电子产品高效、低成本一体化制造。
本发明可应用于未来手机5G天线及无线充电一体化制备、LTCC工艺的替代，方便初期设计模型的快速验证及迭代，缩短研发周期。使用该工艺方法也可以实现以陶瓷为基材的异形结构上金属线路的制备，且可实现金属线路的陶瓷封装，避免了传统制造的多道工序。
本发明的技术方案为：
所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：按照设计的陶瓷三维模型，采用挤出类型的3D打印方法打印陶瓷胚体，打印舱室内辅助100-200℃的环境温度；其中陶瓷三维模型中包括金属线路预留槽；
步骤2：在陶瓷胚体成型过程中，通过程序控制在打印完成金属线路预留槽部位后暂停打印；
步骤3：采用数字化点胶的方法将导电浆料布置于已打印模型预设槽内，并设置10～15min停留时间；
步骤4：停留时间之后，恢复陶瓷胚体的打印过程，将金属线路封装于槽内；
步骤5：重复步骤1～步骤4，交替进行陶瓷胚体打印和金属线路布置两个过程，直至完成带有金属线路图形陶瓷胚体的制作；
步骤6：将制作完成的陶瓷胚体送入烧结炉内进行烧结，完成含金属线路陶瓷体的定型。
进一步的优选方案，所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：陶瓷三维模型采用商业化三维设计软件设计后转为stl文件，并切片处理为打印机可识别文件；陶瓷三维模型上在金属线路的部位留有预设槽，用于布置导电浆料。
进一步的优选方案，所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：步骤1中采用的挤出类型3D打印方法指采用螺杆挤出或气压方式将浆料按照既定轨迹挤出堆叠，并辅助100-200℃舱室温度进行预固化。
进一步的优选方案，所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：陶瓷胚体材料采用具有粘度的纳米尺寸陶瓷体浆料，能够在挤出过程辅助热固化条件堆叠成型；且陶瓷胚体材料烧结温度与导电浆料匹配，能够实现共烧。
进一步的优选方案，所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：所述采用数字化点胶的方法将导电浆料布置于已打印模型预设槽内的过程为：通过程序控制，按照陶瓷胚体模型上预设槽的路径，将导电浆料填充于预设槽内，填充高度与槽深相等。
进一步的优选方案，所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：所述导电浆料指金、银、铜或银钯合金材料的微米或纳米尺寸浆料，且与陶瓷胚体材料烧结温度匹配，能够实现共烧。
进一步的优选方案，所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：步骤2中的暂停打印，具体过程为在生成3D打印文件过程中通过计算机语言命令在指定位置设置暂停动作或在3D打印过程中通过人为观察后手动暂停。
有益效果
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1)陶瓷与金属线路的一体化制备制作工艺相比传统工艺，整个制作过程简单化，仅通过这一过程可以实现陶瓷基材和金属线路一体化打印，适用于异型陶瓷体上金属线路的制作，周期短响应速度快，可以用手板模型的快速验证。
2)传统工艺为先采用模具进行陶瓷胚体成型，通过烧结使陶瓷胚体成型，再通过贴膜、转印或化镀工艺将电子线路图形附着于陶瓷基体上。针对异型的陶瓷结构上电子线路的制备实现过程则更为复杂，存在定位及结构干涉问题，无法实现夹层结构的制备。通过对比可以发现所发明的一体化制备陶瓷基材及金属线路的工艺方法，适用于陶瓷夹层金属线路的成型，不仅流程简化，且环保、节省材料。
3)本发明可用于替代传统的LTCC技术，满足异形低温陶瓷共烧的实现。未来可以衍生处其他方面的应用，如将金属线路的布置改装为数控式精确涂布可升级为打印复合制造。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化成型技术流程图；
图2金属线路填充及陶瓷层封装示意图；
图3(a)为本发明在打印陶瓷胚体上涂布导电材料示意图；
图3(b)为本发明打印陶瓷胚体封装导电材料后的示意图；
图3(c)为本发明打印完成后陶瓷胚体含金属材料的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，实现的步骤主要为：
步骤1：按照设计的陶瓷三维模型，采用挤出类型的3D打印方法打印陶瓷胚体，打印舱室内辅助100-200℃的环境温度；其中陶瓷三维模型中包括金属线路预留槽；
步骤2：在陶瓷胚体成型过程中，通过程序控制在打印完成金属线路预留槽部位后暂停打印；
步骤3：在暂停的过程中采用数字化点胶的方法将导电浆料布置于已打印模型预设槽内，并设置10～15min停留时间，实现导电浆料的预固化；
步骤4：停留时间之后，恢复陶瓷胚体的打印过程，将金属线路封装于槽内；
步骤5：重复步骤1～步骤4，交替进行陶瓷胚体打印和金属线路布置两个过程，直至完成带有金属线路图形陶瓷胚体的制作；
步骤6：将制作完成的陶瓷胚体送入烧结炉内进行烧结，完成含金属线路陶瓷体的定型。
所述陶瓷三维模型采用商业化三维设计软件设计后转为stl文件，并切片处理为打印机可识别文件；陶瓷三维模型上在金属线路的部位留有预设槽，用于布置导电浆料。
所述陶瓷胚体采用3D打印增材制造的方法成型，是指将陶瓷胚体浆料采用螺杆挤出或气压挤出等方式按照既定轨迹挤出并进行三维堆叠成型，在打印过程可以根据所使用胚体材料的特性维持舱室100～200℃加热辅助固化等手段保证打印胚体材料的预固化。
陶瓷胚体材料采用具有粘度的纳米尺寸陶瓷体浆料，能够在挤出过程辅助热固化条件堆叠成型；且陶瓷胚体材料烧结温度与导电浆料匹配，能够实现共烧。
所述的打印过程中在预设槽金属化图形部位设置暂停动作，是指通过编辑已生成的打印文件在预定位置设置暂停命令或在预定位置通过手动停止，在完成导电线路嵌置后，暂停10～15min，主要目的为实现导电浆料的预固化，保证其中溶剂挥发，防止烧结过程中大量溶剂挥发所引起的陶瓷体开裂。
所述采用数字化点胶的方法将导电浆料布置于已打印模型预设槽内的过程为：通过程序控制，按照陶瓷胚体模型上预设槽的路径，将导电浆料填充于预设槽内，填充高度与槽深相等。
所述导电浆料指金、银、铜或银钯合金材料的微米或纳米尺寸浆料，且与陶瓷胚体材料烧结温度匹配，能够实现共烧。
所述重复胚体打印和导电材料的嵌置过程，是指依据模型的特点可在打印过程中根据模型内金属线路的排布需要进行两个步骤交替进行，实现多层空间立体线路。。
所述通过烧结实现导电材料与陶瓷体结合为一体，是指将内含导电材料的陶瓷胚体通过保护气氛或大气气氛的烧结，使得陶瓷胚体烧结定型为陶瓷体，同时完成导电材料与陶瓷体的融合固定。
结合图1、图2、图3对本发明的技术细节进行说明。下述为以制作陶瓷夹层的 NFC天线为例对本发明的技术方法进行展示。本发明涉及的是一种基于3D打印陶瓷与金属线路一体化制备成型的方法。图1为该技术方法的实现流程示意图，图2为金属线路填充及封装示意。具体地指是一种陶瓷结构与电路的一体化成型方法，可实现在陶瓷内部或外部线路的制备。
在步骤01中是指采用3D打印装置或方法将陶瓷胚体材料，按照逐层累积的方式向上叠加。
在步骤02中是指将导电浆料点胶、喷印于陶瓷胚体材料上嵌入至已打印成型的陶瓷胚体空位内。
在步骤03中是指经过前两个步骤的多次交替实施后完成了内含导电材料陶瓷胚体的制作，将其通过送入炉体中进行烧结成型为陶瓷体，此后流程结束。
在陶瓷体三维模型的设计阶段，需将根据布线的图形在模型体上留出用于布线槽状空位。在模型生成打印文件的过程中，需对其进行编辑(在打印至布线槽位置设置暂停命令)。如图3(a)所示，在打印完成陶瓷胚体上的布线槽后进行暂停。采用喷涂/点胶的方式将导电浆料于布线槽内。其中导电材料与陶瓷胚体的烧结温度需趋于一致，即导电材料可承受陶瓷胚体的烧结温度，而不影响导电材料的性能。接着恢复陶瓷胚体的打印动作，将已涂布或嵌置的导电材料用陶瓷胚体材料进行封盖，在向上的引出线位置仍留有空位用于涂布导电材料，具体如图3(b)所示。接着按照陶瓷体的模型设计，最终完成整个壳体的打印，如图3(c)所示。至此已经完成了内含NFC 线圈的陶瓷胚体的打印制作。将陶瓷胚体在炉体中进行烧结(大气气氛或保护气氛、真空气氛，需根据所使用材料的特性进行选择)，完成陶瓷体的定型。若选用的导电材料为浆料类，在陶瓷胚体烧结的过程中同时也完成电子线路的烧结。至此则完成了陶瓷手机壳夹层NFC线圈的制作，后续为了满足装配要求可进一步采用机械加工的方法对烧结的胚体材料进行二次精细加工。通过此过程可以发现本发明的技术方法，流程相比传统制作流程大大简化，且节省材料、适应于复杂/夹层线路的陶瓷体的制备。按照本发明的工艺方法，未来陶瓷手机壳可进行多层、多结构电子线路的集成化设计，可是陶瓷壳体从原来的结构件升级为结构功能化。也可以使用本发明的技术方法，代替传统的LTCC工艺技术，实现复杂异型结构的无源器件的制备。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：按照设计的陶瓷三维模型，采用挤出类型的3D打印方法打印陶瓷胚体，打印舱室内辅助100-200℃的环境温度；其中陶瓷三维模型中包括金属线路预留槽；所述陶瓷胚体材料采用具有粘度的纳米尺寸陶瓷体浆料，能够在挤出过程辅助热固化条件堆叠成型；且陶瓷胚体材料烧结温度与导电浆料匹配，能够实现共烧；
步骤2：在陶瓷胚体成型过程中，通过程序控制在打印完成金属线路预留槽部位后暂停打印；
步骤3：采用数字化点胶的方法将导电浆料布置于已打印模型预设槽内，并设置10～15min停留时间；
步骤4：停留时间之后，恢复陶瓷胚体的打印过程，将金属线路封装于槽内；
步骤5：重复步骤1～步骤4，交替进行陶瓷胚体打印和金属线路布置两个过程，直至完成带有金属线路图形陶瓷胚体的制作；
步骤6：将制作完成的陶瓷胚体送入烧结炉内进行烧结，完成含金属线路陶瓷体的定型。
2.根据权利要求1所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：陶瓷三维模型采用商业化三维设计软件设计后转为stl文件，并切片处理为打印机可识别文件；陶瓷三维模型上在金属线路的部位留有预设槽，用于布置导电浆料。
3.根据权利要求1所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：步骤1中采用的挤出类型3D打印方法指采用螺杆挤出或气压方式将浆料按照既定轨迹挤出堆叠，并辅助100-200℃舱室温度进行预固化。
4.根据权利要求1所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：所述采用数字化点胶的方法将导电浆料布置于已打印模型预设槽内的过程为：通过程序控制，按照陶瓷胚体模型上预设槽的路径，将导电浆料填充于预设槽内，填充高度与槽深相等。
5.根据权利要求4所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：所述导电浆料指金、银、铜或银钯合金材料的微米或纳米尺寸浆料，且与陶瓷胚体材料烧结温度匹配，能够实现共烧。
6.根据权利要求1所述一种基于3D打印陶瓷与金属线路的一体化制备方法，其特征在于：步骤2中的暂停打印，具体过程为在生成3D打印文件过程中通过计算机语言命令在指定位置设置暂停动作或在3D打印过程中通过人为观察后手动暂停。
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