CN112549523A - 一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统与方法，属于电子增材制造技术领域。其包括集成为整体的多个子系统，其中，结构材料增材制造子系统用于支撑结构体或者封装结构体的3D打印，电子增材制造子系统用于电子功能材料的共形打印，减材机加工子系统用于对增材成型材料机械加工以去除多余部分或提高打印精度，热管理子系统用于为各加工区间提供辅助加热或/和冷却，机构运动控制子系统用于增材制造过程和减材机加工过程的高精度多轴联动、高精度对位和装夹。本发明还公开采用成型系统成型的方法。本发明的一体化成型系统和方法能够兼顾电子功能材料与支撑结构/封装功能材料的一次性、高精度、增减材一体化成型。

Description

一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统与方法

技术领域

本发明属于电子增材制造技术领域，更具体地，涉及一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统与方法。

背景技术

增材制造技术，也被熟知为3D打印技术，能够实现几乎任意复杂结构的制造，已经被应用于航空航天、生物组织工程、建筑工程等诸多领域。电子增材制造技术因共形制造、嵌入式制造、柔性制造、高功能密度制造等特点在电子制造领域显现出夺目的光芒，因此，诸多一流强国的重大研究计划均将该技术纳入重点研究范围，如美国FDCASU计划、欧盟地平线计划、日本TRADIM计划、中国先进制造2025计划等。

目前，电子增材制造技术按照核心工艺分类主要包括三大类：

1.以激光技术为核心的增材技术，如激光微熔覆直写、激光活化金属化、微立体光刻、双光子聚合激光直写、微激光烧结等。2.以喷印技术为核心的微增材技术，如电喷印、喷墨打印、气溶胶喷印等。3.以传统金属化技术为核心的微增材技，如丝网印刷、电化学沉积、气相沉积等技术为代表的其他微增材制造技术。

近年来，基于上述电子微增材技术开发的共形天线、共形传感器、2D/3D多层PCB结构、可穿戴柔性电子产品、微电池、超结构光子晶体等电子产品或原型样机的成功问世极大振奋了电子工业界，以微增材技术为核心业务的新锐企业纷纷脱颖而出，如NanoDimension、Optomec、西安瑞特三维等，均取得了良好的经济成果。然而，相关传统工业设备存在或难以适形印刷、或生产成本高周期长、或污染环境等不足，而相关新型工业设备却一直发展迟缓，严重制约了该类技术的工业化进程。

目前，该类设备对应的制程存在相当严重的局限性，具体而言：

1.缺乏支撑/封装结构的一体化成型方法。

大多数设备仅适用于导体/电阻等功能电子材料的开发，封装功能结构的开发需要另行制造后再与微增材电子结构组装在一起。该方法不利于嵌入式电子结构的开发效率和制造精度。如封装功能结构内嵌健康监控传感器，全向辐射多波束梯度电介质透镜天线内嵌金属化结构等，在开发过程中需要反复置于微增材设备与结构增材设备之间，不仅开发耗时长且多次定位后累积误差较大。

2.缺少共形制造的成型方法

无论是结构材料的增材制造还是电子微增材制造技术，大多基于平面逐层制造的经典方法进行叠制而成。而对于共形天线等电子组件而言，需要在曲面异质基体上进行二次制造共形电子功能材料，平面逐层制造的方法不再适合。

3.仅通过增材制造技术难以保证跨尺寸制造精度

目前通过增材制造技术制备的结构材料基体粗糙度和尺寸精度通常难以满足电子制造需求。以熔融沉积技术为例，直接制造的结构粗糙度可达Ra5um以上，尺寸误差可达2％。尽管微增材技术有一定的加工精度，能直接制造小尺寸的样件，但开发大尺寸曲面共形电子组件时，尺寸精度难以保障，因此，目前仅通过增材制造技术制造的器件尺寸均较小。

综上所述，现有装备的一体化成型程度较低，缺少复合加工能力，设备适用面较窄。因此，需要开发一种能够适应不同尺寸，且能共形制造的一体化成型系统，兼具电子制造领域中复合功能、高功能密度、复杂结构产品制造能力，这将对电子微增材一体化制造技术的发展以及工业化进程具有重大推动作用。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提出了一种三维共形电子部组件一体化成型装备与方法，旨在能够兼顾电子功能材料与封装功能材料的一体化高精度增材成型。

为实现上述目的，本发明提供一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统，其包括集成为一体的结构材料增材制造子系统，电子增材制造子系统，减材机加工子系统，热管理子系统和机构运动控制子系统，所有的子系统相互协调、配合应用于三维共形电子部组件的一次性一体化成型，其中，所述结构材料增材制造子系统用于支撑结构体或者封装结构体的3D打印，所述电子增材制造子系统用于在所述结构材料增材制造子系统打印出的支撑结构体表面共形打印电子功能材料，所述减材机加工子系统工位设置在所述结构材料增材制造子系统和所述电子增材制造子系统的相邻位置，所述减材机加工子系统用于对增材成型材料机械加工以去除多余部分或提高打印精度，所述热管理子系统设置于所述结构材料增材制造子系统、所述电子增材制造子系统和所述减材机加工子系统的工作区上方和底面，用于为各加工区间提供辅助加热或/和冷却，所述机构运动控制子系统分布于所述结构材料增材制造子系统和所述电子增材制造子系统工作区，用于增材制造过程和减材机加工过程的高精度多轴联动、高精度对位和装夹，以保证增材制造过程和机加工过程按照预设运动轨迹进行。

进一步的，所述结构材料增材制造子系统包括下列组件的一种或者多种：FDM打印组件、光固化打印组件、微笔直写组件、金属3D打印组件，用于直接成型电子部件支撑结构体或者封装结构体，所述电子增材制造子系统包括下列组件的一种或者多种：激光微熔覆直写组件、喷墨打印组件、气溶胶喷射组件、电喷印组件、液态金属直写组件和光固化组件，用于共形制备单层或多层介质、导体或/和电阻功能层，所述减材机加工子系统包括多轴CNC机加工组件、多轴激光加工组件、多轴抛磨组件中的一种或者多种，用于提高零件尺寸精度和表面光洁度，制备标记结构或制备通孔、盲孔，结构材料增材制造子系统和电子增材制造子系统能交替进行工作，也能同时进行工作，以能用于多个待加工零件同时进行三维共形电子部组件的增减材一体化、一次性成型。

进一步的，所述热管理子系统包括红外辐射光源组件、热电膜组件、热风循环系统组件、风冷组件、隔热板、保温仓、热敏传感器、红外热成像组件中的一种或组合，能用于热成型区间和冷成型区间的升降温速率可控辅助加热/冷却，所述机构运动控制子系统包括高精度传送组件、三轴滑杆机构、五轴龙门机构、高精度装配机械臂和机器视觉组件中的一种或者多种。

进一步的，所述结构材料增材子系统包括FDM挤出机构和FDM打印料盒及送丝辅助结构，其中，FDM挤出机构的喷头为单喷头、双喷头的打印喷头，以能进行单一或者多种材料的打印，FDM挤出机构为螺杆式或者滚轮挤入式结构，FDM打印料盒及送丝辅助结构位于FDM挤出机构的附近，用于为传输丝材提供力学支撑，还为FDM挤出机构提供送料辅助动力，还用于调节放出丝材的进给量。

进一步的，所述电子增材子系统包括激光/微喷功能模块、激光/微喷控制模块和紫外UV光固化灯组，其中，激光/微喷功能模块包括激光子模块和微喷子模块，激光子模块包括普通脉冲/连续光纤激光和超快激光，微喷子模块用于根据电子材料的粘度更换气动型/撞针型/压电型微喷阀，激光/微喷控制模块用于根据控制信号，调节激光输出的工作模式，以实现交替或同时控制激光子模块和微喷子模块的工作，紫外UV光固化灯组包括由多个UV灯阵列，其能无死角辐照到整个冷成型区，所述减材机加工子系统包括机加工可替换组件、机器视觉模块、抛光组件和刀具组件，其中，机加工可替换组件通过替换加工前端实现刀具加工、抛磨加工和超快激光加工功能，刀具组件用于支撑结构体表面的钻孔，切削，铣削加工，抛光组件能够配合多轴运动，对支撑结构体表面或者电子材料表面进行抛磨处理，机器视觉模块用于校正机加工可替换组件的加工轨迹误差和精准定位。

进一步的，所述热管理子系统包括红外辐射氙灯组，隔热仓，鼓风组件，热电膜，隔热挡板，风冷组件，热成像仪，隔热仓为一腔体，红外辐射氙灯组设置在热隔热仓的顶部一角，热成像仪的设置在热隔热仓的顶部另一角，鼓风组件设置在隔热仓的一侧壁中央处，热电膜设置在隔热仓底部，FDM打印料盒设置在热成型区滑块上，热成型区滑块位于隔热仓顶部处，隔热挡板活动连接在隔热仓的侧壁上，在待打印工件需要移至冷成型区时隔热挡板能开启，以让待答应工件通过，风冷组件置于隔热仓的底部，其用于通过通风孔使被打印零件以冷却，热成像仪分别置于热成型区与冷成型区，用于通过红外测温测得零件表面的温度，以确保零件在设定的温度下进行成形加工。

进一步的，所述机构运动控制子系统包括热成型区滑杆、热成型区滑块、多自由度挂臂、冷成型区横梁、冷成型区滑块、双末端的多自由度挂臂、工作传送带、支撑架和支撑底座，其中，热成型区滑杆设置在隔热仓内的顶部，热成型区滑块套设在热成型区滑杆上，以能沿热成型区滑杆来往滑动，多自由度挂壁悬置于热成型区滑块上，辅助加热和冷却结构设置在多自由度挂壁上，冷成型区横梁设置在冷成型区空腔顶部，冷成型区滑块滑动设置在冷成型区横梁上，能沿冷成型区横梁来回滑动，双末端的多自由度挂臂悬挂设置于冷成型区横梁上，激光/微喷功能模块设置在双末端的多自由度挂臂的一端，机加工可替换组件设置在双末端的多自由度挂臂的另一端，机器视觉模块也设置于双末端的多自由度挂臂的另一端。

按照本发明的第二个方面，还提供一种采用如上所述的成型系统成型电子组件的方法，其包括如下步骤：

第一步：采用结构材料增材方式制备整体电子组件的力学支撑体，并通过机加工方式保证支撑结构的精度满足后续成形要求；

第二步：通过电子增材制造方式在支撑结构体上制备多层共形电路结构，通过机械加工的方式进一步提高电子结构的尺寸精度；

第三步：按照要求在电子组件结构中嵌入异质元器件或电子模块，并用上述增减材复合加工的方式制备封装结构；

第四步：在未发生工艺冲突的前提下，根据功能设计选择性重复第二步或者第三步，以将工艺进行相互组合，从而能制备高功能密度、高压缩占比和低轮廓造型的一体化电子组件。

进一步的，在第一步之前，对待制备的电子组件的CAD模型进行处理，以获得模型切片轮廓信息，再根据模型切片轮廓信息生成支撑结构体的增材加工轨迹。

进一步的，在第四步中，存在的垂直互联孔选择通过逐层叠加的方式制造，或者通过机加工制备贯穿多层介质的垂直孔后再进一步金属化获得。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明提出的系统能完成从支撑结构到电路结构的高精度一体化、一次性成型，便于嵌入式电子结构的开发与制备。

2.本发明提出的装备兼具逐层制造和共形制造功能，能够用于制造内部结构复杂的高功能密度电子组件，同时通过共形制造大幅提高了整体结构的空间压缩占比。

3.本发明提出的装备通过复合多种机加工方法更易于实现多层电子功能材料间的互联孔的制备及金属化，进而有效提高制备效率。

4.本发明提出的装备能够通过多种机加工方法控制大尺寸电子结构的精度，进而有效突破了电子增材制造的尺寸限制。

附图说明

图1是本发明实施例1中三维共形电子部组件一体化成型系统的结构示意图，

图2是本发明实施例2中三维共形电子部组件一体化成型系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种三维共形电子部组件一体化成型系统，其特征在于包括：结构材料增材制造子系统，电子材料增材制造子系统，减材机加工子系统，热管理子系统，机构运动控制子系统。其中，所述结构材料增材制造子系统用于支撑结构体或者封装结构体的3D打印，所述电子增材制造子系统用于进行电子功能材料的共形打印，所述减材机加工子系统用于对增材成型后的部分进行机械加工，以去除多余部分，所述热管理子系统用于为各加工区间提供辅助加热或/和冷却，所述机构运动控制子系统用于增材制造过程和减材机加工过程的高精度多轴联动，高精度对位和装夹，以保证增材制造过程和机加工过程按照预期进行。

其中，所述结构材料增材制造子系统包括下列组件的一种或者多种：FDM打印组件(包括但不限于熔丝挤出型、螺旋挤出颗粒型)、光固化打印组件、微笔直写组件、金属3D打印组件，用于直接成型电子部件支撑结构体或者封装结构体。所述电子增材制造子系统包括下列组件的一种或者多种：激光微熔覆直写组件、喷墨打印组件、气溶胶喷射组件、电喷印组件、液态金属直写组件和光固化组件，用于制备多层共形介质、导体或/和电阻。所述减材机加工子系统包括多轴CNC机加工组件、多轴激光加工组件、多轴抛磨组件中的一种或者多种，能提高零件尺寸精度和表面光洁度，制备标记结构或通孔/盲孔。所述热管理子系统包括红外辐射光源组件、热电膜组件、热风循环系统组件、风冷组件、隔热板、保温仓、热敏传感器、红外热成像组件中的一种或组合，能用于热成型区间和冷成型区间的升降温速率可控辅助加热/冷却。所述机构运动控制子系统包括高精度传送组件、三轴滑杆机构、五轴龙门机构、高精度装配机械臂和机器视觉组件中的一种或者多种。

在实际工程中，结构材料增材制造子系统和所述电子增材制造子系统能交替进行工作，也能同时进行工作。采用本发明设备能同时对一个或者多个待加工零件进行制造。

实施例1

本发明实施例1提供的一种三维共形电子部组件一体化成型系统，如图1所示，由图可知，其包括结构材料增材制造子系统，电子材料增材制造子系统，减材机加工子系统，热管理子系统和机构运动控制子系统。

所述结构材料增材子系统用于制备电子组件支撑结构，以FDM打印组件为例，由FDM挤出机构1、辅助加热和冷却结构2和FDM打印料盒及送丝辅助结构组成。其中FDM挤出机构1可以更换单喷头、双喷头等FDM打印喷头，可以进行单一或者多种材料的即时打印。FDM挤出机构1可选螺杆式或者滚轮挤入式结构。送丝辅助结构位于FDM打印料盒3的附近或FDM挤出机构1的附近，作用包括传输丝材提供力学支撑，为FDM挤出机构1提供送料辅助动力，调节从料盒中放出丝材的进给量。FDM打印料盒3的位置可以在多自由度挂臂18远端，也可以在不影响丝材进给的前提下集成于多自由度挂臂18上。

所述电子增材子系统用于共形制备多类介质、导体、电阻等基本元件，由激光/微喷功能模块4，激光/微喷控制模块5，紫外UV光固化灯6(缺一套距离传感器)组成。其中，激光/微喷功能模块4可通过激光/微喷控制模块5交替或同时使激光和微喷工作，激光优先使用光纤激光器，激光模块包括普通光纤激光和超快激光。微喷结构可以根据电子材料(墨水/浆料)的粘度更换气动型/撞针型/压电型微喷阀。激光/微喷控制模块5可以根据控制系统的信号，调节激光输出的工作模式。激光/微喷控制模块5与激光/微喷功能模块4间通过光纤、信号线、气管等连接。紫外UV光固化灯组6由多个UV灯阵列组成，能保证无死角辐照到整个冷成型区，且能通过位置调节保证各区域所需的最小光强。

所述减材加工子系统用于提高零件尺寸精度、表面粗糙度、标记、通孔/盲孔等。减材机加工组件由机加工可替换组件7，机器视觉模块8组成。其中机加工可替换组件7可以通过替换加工前端实现刀具加工、抛磨加工和超快激光加工功能。刀具组件可实现结构表面的钻孔，切削，铣削加工。抛光组件能够配合多轴运动，对支撑材料表面或者电子材料表面进行抛磨处理。超快激光能够完成深径比较大的微孔制备，可与激光微熔覆直写组件共用激光器和位置传感器。机器视觉模块8则用于校正机加工可替换组件7的加工轨迹误差和精准定位。

所述热管理子系统用于为各加工区间提供辅助加热和冷却。包括红外辐射氙灯组9，隔热仓10，鼓风子系统11，热电膜12，隔热挡板13，风冷组件14，热成像仪15。红外辐射氙灯组9设置在热隔热仓10的顶部一角，热成像仪15的设置在热隔热仓10的顶部另一角，鼓风子系统11设置在隔热仓10的一侧壁中央处，热电膜12设置在隔热仓10底部，FDM打印料盒3设置在热成型区滑块17上。其中，红外辐射氙灯组9具有脉冲式辐射功能，能够通过热辐射的形式使电子墨水或者浆料热固化。隔热仓10由常见中温隔热结构组成，能够在承受400℃以下温度的同时有效降低热损耗。鼓风子系统11能够使热成型区内的温度更加均匀。热电膜12能够在打印成型的底部维持恒定温度。隔热挡板13可以通过电动控制其开合运动，在待打印工件需要移至冷成型区时则打开挡板，让工件通过。风冷组件14置于工作传送带22的底部，通过通风孔使被打印零件以一定速率风冷。热成像仪15分别置于热成型区与冷成型区各1支，通过红外测温测得零件表面的温度，确保零件在合适的温度下进行成形加工。

所述机构运动控制子系统用于控制整个设备各个系统的高精度协同运动。机构运动控制子系统由热成型区滑杆16，热成型区滑块17，多自由度挂臂18，冷成型区横梁19，冷成型区滑块20，双末端的多自由度挂臂21，工作传送带22，支撑架23，支撑底座24组成。其中，热成型区滑杆16设置在隔热仓10内的顶部，热成型区滑块17套设在热成型区滑杆16上，以能沿热成型区滑杆16来往滑动，多自由度挂壁18悬置于热成型区滑块17上，辅助加热和冷却结构2设置在多自由度挂壁18上。冷成型区横梁19设置在冷成型区空腔顶部，冷成型区滑块20滑动设置在冷成型区横梁19上，能沿冷成型区横梁19来回滑动，双末端的多自由度挂臂21悬挂设置于冷成型区横梁19上，激光/微喷功能模块4设置在双末端的多自由度挂臂21的一端，机加工可替换组件7设置在双末端的多自由度挂臂21的另一端，机器视觉模块8也设置于双末端的多自由度挂臂21的另一端。

在热成型区和冷成型区之间设置有隔热挡板13。隔热挡板13顶部拼接有支撑架23。紫外UV光固化灯组6设置在冷成型区顶部一角，又一个热成像仪15设置在冷成型区顶部又一角。激光/微喷控制模块5设置于冷成型区的顶部，风冷组件14设置于冷成型区底部，并位于工作传送带22的底部。支撑底座24用于支撑冷成型区和热成型区的所有零部件。

利用图1所示的三维共形电子部组件一体化成型系统制造电子组件的方法可以概括为以下步骤：

S1：设计电子组件的CAD模型，结合CURA、Simplify3D以及CAM等切片及处理软件，根据模型切片轮廓信息生成支撑结构体的增材加工轨迹；根据电子功能结构体的几何尺寸信息生成曲面加工路径。

S2：根据支撑材料的种类设定工作区间的温度，并通过热管理子系统对工作区间进行加热至25℃～300℃。然后在设定的温度下，利用熔融沉积技术在高温成型区间进行PEEK/PLA/ABS等支撑结构体的逐层增材制造。

S3：将具有设定温度的支撑结构体缓慢移出热成型区，待工件降温至室温后，在夹具的辅助下将支撑结构体固定在打印平台上，采用减材加工子系统的车刀对其进行粗削加工，然后用抛光棉/超快激光设备对其进行表面加工。通过三维扫描仪读取工件的尺寸精度和表面粗糙度。

S4：在支撑结构体表面采用激光微熔覆技术进行电子功能材料的逐层共形制造，获得第S层(S≥1)介质层结构、垂直互联孔、导体网络等特征结构。具体方法为，首先将电子墨水或电子浆料通过微笔等组件均匀涂覆或按图形直写在支撑结构表面。对于局部高精度结构用红外、紫外激光通过动态聚焦技术快速共形扫描，实现电子材料的局部高精度热固化或光固化。

S5:对支撑结构上固化后需要按特定图形烧结的电子功能材料，通过控制激光直写工艺参数，实现电子组件结构的直接激光热处理图形化，之后通过乙醇等清洗掉多余电子功能材料。

S6:对支撑结构上固化后可大面积固化的电子功能材料，将电子组件结构移至高温成型区，通过热控组件进行热固化，通过紫外光源实现光固化。根据材料的特性，选择性的对结构进行热处理。

S7：将具有一定温度的电子组件移出高温成型区，对成型后的第S层电子功能结构进行选择性的进行抛磨、刻蚀或打孔等后处理。

S8:根据功能需求选择性的将异质电子元器件、传感器、芯片等电子产品嵌入式安装在增材制造的结构中。并选择性的为三维异质电子产品制备封装结构。

S9：以S7/S8的成型后共形结构为基体，重复S5-S7/S8的步骤，制备S+1层电子结构。其中垂直互联孔可以选择通过逐层叠加的方式制造，或者通过机加工制备贯穿多层介质的垂直孔后再进一步金属化。

实施例2

如图2所示，本发明实施例提供一种三维共形电子部组件一体化成型系统，其也包括结构材料增材制造子系统，减材机加工子系统，电子材料增材制造子系统，热管理子系统和机构运动控制子系统。

其中，所述结构材料增材制造子系统用于制备电子组件支撑结构及辅助支撑结构，以FDM打印组件为例，由第二FDM挤出机构25、第二辅助加热和冷却结构26和第二FDM打印料盒及送丝辅助结构组成。其中，第二FDM挤出机构25可以更换单喷头、双喷头等FDM打印喷头，可以进行单一或者多种材料的即时打印。第二FDM挤出机构25可选螺杆式或者滚轮挤入式结构。送丝辅助结构位于第二FDM打印料盒27的附近或第二FDM挤出机构25的附近，用作传输丝材和提供力学支撑，还为第二FDM挤出机构25提供送料辅助动力，调节从料盒中放出丝材的进给量。第二FDM打印料盒27的位置可以在第二多自由度挂臂42远端，也可以在不影响丝材进给的前提下集成于第二多自由度挂臂上。

所述减材加工子系统用于提高零件尺寸精度、表面粗糙度、标记、通孔/盲孔等。减材机加工组件由冷成型区减材机加工组件和抛光成型区减材机加工组件组成。其中，冷成型区减材机加工组件包括机加工可替换切削组件31和第二机器视觉模块32；抛光成型区减材机加工组件包括多自由度机械臂49，可替换研磨组件50，第三机器视觉模块51，液体/气体清洗组件52，磨削粉/清洗液的收集/回流组件53和红外灯烘干组件54。其中，冷成型区减材机加工组件中机加工可替换切削组件31可以通过替换加工前端实现刀具加工和超快激光加工功能。刀具组件可实现结构表面的钻孔，切削，铣削加工；超快激光能够完成深径比较大的微孔制备、金属层微结构制备以及用来提高金属导线精度，可与激光微熔覆直写组件共用激光器和位置传感器。第二机器视觉模块32则用于校正机加工可替换切削组件31的加工轨迹误差和精准定位。其中，抛光成型区减材机加工组件中机加工可替换研磨组件50可以通过替换不同目数和形状的研磨头，配合多自由度机械臂49实现对支撑材料表面或者电子材料表面的抛磨处理。第三机器视觉模块51用于校正机加工可替换研磨组件50的加工轨迹误差和精准定位。液体/气体清洗组件52和红外灯烘干组件54用于研磨后对支撑材料或者电子材料的清洁和干燥。收集/回流组件53用于研磨粉尘或清洗液体的收集、沉淀和回流。

所述电子增材制造子系统用于共形制备多类介质、导体、电阻等基本元件，由第二激光/微喷功能模块28，第二激光/微喷控制模块29，第二紫外UV光固化灯30组成。其中，第二激光/微喷功能模块28可通过第二激光/微喷控制模块29交替或同时使激光和微喷工作，激光优先使用光纤激光器，激光模块包括普通光纤激光和超快激光。微喷结构可以根据电子材料(墨水/浆料)的粘度更换气动型/撞针型/压电型微喷阀。第二激光/微喷控制模块29可以根据控制系统的信号，调节激光输出的工作模式。第二激光/微喷控制模块29与第二激光/微喷功能模块28间通过光纤、信号线、气管等连接。第二紫外UV光固化灯组30由多个UV灯阵列组成，能保证无死角辐照到整个冷成型区，且能通过位置调节保证各区域所需的最小光强。

所述热管理子系统用于为各加工区间提供辅助加热和冷却，其包括第二红外辐射氙灯组33，第二隔热仓34，第二鼓风子系统35，第二热电膜36，第二隔热挡板37，第二风冷组件38和第二热成像仪39。第二红外辐射氙灯组33设置在第二热隔热仓34的顶部一角，第二热成像仪39的设置在第二隔热仓34的顶部另一角，第二鼓风子系统35设置在第二隔热仓34的一侧壁中央处，第二热电膜36设置在第二隔热仓34底部，FDM打印料盒设置在第二热成型区滑块41上。其中，第二红外辐射氙灯组33具有脉冲式辐射功能，能够通过热辐射的形式使电子墨水或者浆料热固化。第二隔热仓34由常见中温隔热结构组成，能够在承受400℃以下温度的同时有效降低热损耗。第二鼓风子系统35能够使热成型区内的温度更加均匀。第二热电膜36能够在打印成型的底部维持恒定温度。第二隔热挡板37可以通过电动控制其开合运动，在待打印工件需要移至冷成型区时则打开挡板，让工件通过。第二风冷组件38置于第二工作传送带46的底部，通过通风孔使被打印零件以一定速率风冷。第二热成像仪39分别置于热成型区与冷成型区各1支，通过红外测温测得零件表面的温度，确保零件在合适的温度下进行成形加工。

所述机构运动控制子系统用于控制整个设备各个系统的高精度协同运动。机构运动控制子系统由第二热成型区滑杆40，第二热成型区滑块41，第二多自由度挂臂42，第二冷成型区横梁43，第二冷成型区滑块44，第二双末端的多自由度挂臂45，第二工作传送带46，第二支撑架47和第二支撑底座48组成。

其中，第二热成型区滑杆40设置在第二隔热仓34内的顶部，第二热成型区滑块41套设在第二热成型区滑杆40上，以能沿第二热成型区滑杆40来往滑动，第二多自由度挂壁42悬置于第二热成型区滑块41上，第二辅助加热和冷却结构26设置在第二多自由度挂壁42上。第二冷成型区横梁43设置在冷成型区空腔顶部，第二冷成型区滑块44滑动设置在第二冷成型区横梁43上，能沿第二冷成型区横梁43来回滑动，第二双末端的多自由度挂臂45悬挂设置于第二冷成型区横梁43上，第二激光/微喷功能模块28设置在第二双末端的多自由度挂臂45的一端，机加工可替换组件31设置在第二双末端的多自由度挂臂45的另一端，第二机器视觉模块32也设置于第二双末端的多自由度挂臂45的另一端。

在热成型区和冷成型区之间设置有第二隔热挡板37，第二隔热挡板37顶部拼接有第二支撑架47。冷成型区和抛光成型区之间设置有隔板55。抛光成型区外设有金属罩56实现密闭，保证工作环境。第二紫外UV光固化灯组30设置在冷成型区顶部一角，又一个热成像仪39设置在冷成型区顶部又一角。第二激光/微喷控制模块29设置于冷成型区的顶部，第二风冷组件38设置于冷成型区底部，并位于第二工作传送带46的底部。第二支撑底座48用于支撑冷成型区和热成型区的所有零部件。

利用图2所示三维共形电子部组件一体化成型系统制造电子组件的方法与实例1类同。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统，其特征在于，其包括集成为一体的结构材料增材制造子系统，电子增材制造子系统，减材机加工子系统，热管理子系统和机构运动控制子系统，所有的子系统相互协调、配合应用于三维共形电子部组件的一次性一体化成型，其中，

所述结构材料增材制造子系统用于支撑结构体或者封装结构体的3D打印，所述电子增材制造子系统用于在所述结构材料增材制造子系统打印出的支撑结构体表面共形打印电子功能材料，所述减材机加工子系统工位设置在所述结构材料增材制造子系统和所述电子增材制造子系统的相邻位置，所述减材机加工子系统用于对增材成型材料机械加工以去除多余部分或提高打印精度，所述热管理子系统设置于所述结构材料增材制造子系统、所述电子增材制造子系统和所述减材机加工子系统的工作区上方和底面，用于为各加工区间提供辅助加热或/和冷却，所述机构运动控制子系统分布于所述结构材料增材制造子系统和所述电子增材制造子系统工作区，用于增材制造过程和减材机加工过程的高精度多轴联动、高精度对位和装夹，以保证增材制造过程和机加工过程按照预设运动轨迹进行。

2.如权利要求1所述的一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统，其特征在于，所述结构材料增材制造子系统包括下列组件的一种或者多种：FDM打印组件、光固化打印组件、微笔直写组件、金属3D打印组件，用于直接成型电子部件支撑结构体或者封装结构体，

所述电子增材制造子系统包括下列组件的一种或者多种：激光微熔覆直写组件、喷墨打印组件、气溶胶喷射组件、电喷印组件、液态金属直写组件和光固化组件，用于共形制备单层或多层介质、导体或/和电阻功能层，

所述减材机加工子系统包括多轴CNC机加工组件、多轴激光加工组件、多轴抛磨组件中的一种或者多种，用于提高零件尺寸精度和表面光洁度，制备标记结构或制备通孔、盲孔，

结构材料增材制造子系统和电子增材制造子系统能交替进行工作，也能同时进行工作，以能用于多个待加工零件同时进行三维共形电子部组件的增减材一体化、一次性成型。

3.如权利要求2所述的一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统，其特征在于，所述热管理子系统包括红外辐射光源组件、热电膜组件、热风循环系统组件、风冷组件、隔热板、保温仓、热敏传感器、红外热成像组件中的一种或组合，能用于热成型区间和冷成型区间的升降温速率可控辅助加热/冷却，

所述机构运动控制子系统包括高精度传送组件、三轴滑杆机构、五轴龙门机构、高精度装配机械臂和机器视觉组件中的一种或者多种。

4.如权利要求1所述的一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统，其特征在于，所述结构材料增材子系统包括FDM挤出机构和FDM打印料盒及送丝辅助结构，其中，FDM挤出机构的喷头为单喷头、双喷头的打印喷头，以能进行单一或者多种材料的打印，FDM挤出机构为螺杆式或者滚轮挤入式结构，FDM打印料盒及送丝辅助结构位于FDM挤出机构的附近，用于为传输丝材提供力学支撑，还为FDM挤出机构提供送料辅助动力，还用于调节放出丝材的进给量。

5.如权利要求2所述的一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统，其特征在于，所述电子增材子系统包括激光/微喷功能模块、激光/微喷控制模块和紫外UV光固化灯组，其中，激光/微喷功能模块包括激光子模块和微喷子模块，激光子模块包括普通脉冲/连续光纤激光和超快激光，微喷子模块用于根据电子材料的粘度更换气动型/撞针型/压电型微喷阀，激光/微喷控制模块用于根据控制信号，调节激光输出的工作模式，以实现交替或同时控制激光子模块和微喷子模块的工作，紫外UV光固化灯组包括由多个UV灯阵列，其能无死角辐照到整个冷成型区，

所述减材机加工子系统包括机加工可替换组件、机器视觉模块、抛光组件和刀具组件，其中，机加工可替换组件通过替换加工前端实现刀具加工、抛磨加工和超快激光加工功能，刀具组件用于支撑结构体表面的钻孔，切削，铣削加工，抛光组件能够配合多轴运动，对支撑结构体表面或者电子材料表面进行抛磨处理，机器视觉模块用于校正机加工可替换组件的加工轨迹误差和精准定位。

6.如权利要求3所述的一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统，其特征在于，所述热管理子系统包括红外辐射氙灯组，隔热仓，鼓风组件，热电膜，隔热挡板，风冷组件，热成像仪，隔热仓为一腔体，红外辐射氙灯组设置在热隔热仓的顶部一角，热成像仪的设置在热隔热仓的顶部另一角，鼓风组件设置在隔热仓的一侧壁中央处，热电膜设置在隔热仓底部，FDM打印料盒设置在热成型区滑块上，热成型区滑块位于隔热仓顶部处，隔热挡板活动连接在隔热仓的侧壁上，在待打印工件需要移至冷成型区时隔热挡板能开启，以让待答应工件通过，风冷组件置于隔热仓的底部，其用于通过通风孔使被打印零件以冷却，热成像仪分别置于热成型区与冷成型区，用于通过红外测温测得零件表面的温度，以确保零件在设定的温度下进行成形加工。

7.如权利要求4所述的一种三维共形电子部组件的增减材一体化成型系统，其特征在于，所述机构运动控制子系统包括热成型区滑杆、热成型区滑块、多自由度挂臂、冷成型区横梁、冷成型区滑块、双末端的多自由度挂臂、工作传送带、支撑架和支撑底座，其中，热成型区滑杆设置在隔热仓内的顶部，热成型区滑块套设在热成型区滑杆上，以能沿热成型区滑杆来往滑动，多自由度挂壁悬置于热成型区滑块上，辅助加热和冷却结构设置在多自由度挂壁上，冷成型区横梁设置在冷成型区空腔顶部，冷成型区滑块滑动设置在冷成型区横梁上，能沿冷成型区横梁来回滑动，双末端的多自由度挂臂悬挂设置于冷成型区横梁上，激光/微喷功能模块设置在双末端的多自由度挂臂的一端，机加工可替换组件设置在双末端的多自由度挂臂的另一端，机器视觉模块也设置于双末端的多自由度挂臂的另一端。

8.采用如权利要求1-7之一所述的成型系统成型电子部组件的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

第一步：采用结构材料增材方式制备整体电子组件的力学支撑体，并通过机加工方式保证支撑结构的精度满足后续成形要求；

第二步：通过电子增材制造方式在支撑结构体上制备多层共形电路结构，通过机械加工的方式进一步提高电子结构的尺寸精度；

第三步：按照要求在电子组件结构中嵌入异质元器件或电子模块，并用上述增减材复合加工的方式制备封装结构；

第四步：在未发生工艺冲突的前提下，根据功能设计选择性重复第二步或者第三步，以将工艺进行相互组合，从而能制备高功能密度、高压缩占比和低轮廓造型的一体化电子组件。

9.如权利要求8所述的成型电子部组件的方法，其特征在于，在第一步之前，对待制备的电子组件的CAD模型进行处理，以获得模型切片轮廓信息，再根据模型切片轮廓信息生成支撑结构体的增材加工轨迹。

10.如权利要求9所述的成型电子部组件的方法，其特征在于，在第四步中，垂直互联孔选择通过逐层叠加的方式制造，或者通过机加工制备贯穿多层介质的垂直孔后再进一步金属化获得。

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