CN115351291A - 一种基于金属丝连续纤维3d打印工艺的电子元件制备方法 - Google Patents

一种基于金属丝连续纤维3d打印工艺的电子元件制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于金属丝连续纤维3D打印工艺的电子元件制备方法，先根据电子元件的具体功能、应用场景、导电线圈区域的形状，确定金属丝连续纤维的打印路径分布图；金属丝连续纤维为导电金属丝外裹绝缘材料而成，根据电子元件的功能需求，确定导电金属丝和绝缘材料；结合3D打印机的成形精度，确定绝热基底材料，分别得到金属丝连续纤维的轨迹走向，以及金属丝连续纤维和绝热基底材料配比，导出3D打印代码；最后将3D打印代码导入复合材料3D打印机中，采用连续复合材料3D打印工艺，实现对电子元件的一体化制造；本发明可打印铜丝、金丝、银丝等熔点较高金属，实现复杂形状三维金属电子元件的快速制造，推动增材制造在传感器PCB板等电子产品领域的应用。

Description

一种基于金属丝连续纤维3D打印工艺的电子元件制备方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于金属丝连续纤维3D打印工艺的电子元件制备方法。
背景技术
基于金属丝导线的通信类电子元件，例如：近场通信天线(NFC)，射频识别天线(RFID)、印制电路板(PCB)等电子元件是消费电子、无线通讯、物联网设备、康复医疗等领域的重要器件，具有响应速度快、安全性高、抗干扰性强等优点，广泛应用于公共设备及人员识别，包括门禁卡、银行卡等自动识别产品。目前，此类电子元件主要采用的制备方法包括二维电路板印刷、线圈绕制、印刻腐蚀、电镀等，所制备的电子器件往往局限于圆形、矩形等较为简单规则的形状，且大多为二维单层结构，制备工艺复杂，流程繁琐，导致此类产品的研发打样成本高，测试周期长。因此，实现复杂形状通信类电子元件的一体化快速制造，是提高其设计效率的重要途经。
目前可用于印刷电子、柔性器件方面的金属3D打印(申请号：CN201610606920.7，名称：一种三维结构电子器件的3D打印制造方法)只适用于铜锡合金、银锡合金、锡铅合金等低熔点金属丝，由于受限于3D打印头温度的原因，无法直接打印铜丝、金丝、银丝等熔点较高的金属。
发明内容
为了克服上述现技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于金属丝连续纤维3D打印工艺的电子元件制备方法，采用连续复合材料3D打印工艺，可以直接打印铜丝、金丝、银丝等熔点较高的金属，实现复杂形状三维金属电子元件的一体化快速制造，推动增材制造技术在传感器、执行器、PCB板等电子产品领域的应用。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于金属丝连续纤维3D打印工艺的电子元件制备方法，包括以下步骤：
1)根据电子元件的具体功能、应用场景、导电线圈区域的形状，确定金属丝连续纤维的打印路径分布图；
2)金属丝连续纤维为导电金属丝1外裹绝缘材料2而成，根据电子元件的功能需求，确定导电金属丝1和绝缘材料2；结合3D打印机的成形精度，确定绝热基底材料3，分别得到金属丝连续纤维的轨迹走向，以及金属丝连续纤维和绝热基底材料3的配比，即绝热基底材料3的挤丝量，导出3D打印代码；
3)将3D打印代码导入复合材料3D打印机中，采用连续复合材料3D打印工艺，实现对电子元件的一体化制造。
所述的导电金属丝1为铜丝、银丝、金丝等；绝缘材料2为聚酯材料、聚氨酯材料、聚酯亚胺材料等。
所述的绝热基底材料3为ABS、尼龙、TPU、PDMS、PLA、PEEK或PPS等，采用TPU、PDMS等软胶类材料实现柔性电子元件的快速打样。
所述的金属丝连续纤维在打印过程中不发生性状改变，此外，绝缘材料2在与绝热基底材料3的混合过程中防止导电金属丝1在打印过程中断裂。
所述的金属丝连续纤维和绝热基底材料3配比根据导电金属丝1直径、喷头直径、打印速度等参数实时调整。
制备的电子元件包括绝热基底以及其上的金属丝漆包线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明金属丝连续纤维利用导电金属丝包裹一层绝缘材料，与绝热基底材料混合打印，通过控制金属丝连续纤维的打印路径实现层层堆叠，实现复杂电子元器件的一体化制造，与现有的方法(柔性印制电路板、绕线机等传统工艺)相比，具有一体化、自动化、低成本、效率高、快速制造的优点。
(2)本发明将金属丝连续纤维与连续复合材料3D打印相结合，导电金属丝可以从铜丝、银丝、金丝等高熔点、高导电系数材料的漆包线中选择，绝热基底材料可以从ABS，尼龙，PDMS，PLA，TPU等材料中选择，具有广阔的材料选择空间，其中，选用TPU、PDMS等软胶类材料还可以实现柔性电子元件的快速打样，为可穿戴传感器、驱动器等产品的研发奠定基础。
(3)本发明采用连续金属丝复合材料3D打印工艺对传感器、执行器等电子元件进行制造，提高了电子元件的设计自由度，不仅可以实现平面线圈等规则二维图形的电子元件的制造，还可以实现三维复杂形状的一体化快速成形。以NFC，RFID、PCB等电子元件为例，自动化的制造途径使得此类传感器的设计突破了传统的二维规则图形的局限(圆形，方形等)，可以自由设计任意形状，而不必考虑制造难题，从而实现多层复杂电子元件研发阶段的快速原型验证，大大降低研发成本，缩短研发周期。
附图说明
图1为本发明实施例1NFC导电线圈的制备示意图。
图2为本发明实施例2RFID导电线圈的制备示意图。
图3为本发明实施例3PCB电路板的制备示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
实施例1，参照图1，制备NFC导电线圈，一种基于金属丝连续纤维3D打印工艺的电子元件制备方法，包括以下步骤：
1)根据电子元件的具体功能、应用场景、导电线圈区域的形状，确定金属丝连续纤维的打印路径分布图；
2)金属丝连续纤维为导电金属丝1外裹绝缘材料2而成，根据电子元件的功能需求，确定导电金属丝1和绝缘材料2；结合3D打印机的成形精度，确定绝热基底材料3，分别得到金属丝连续纤维的轨迹走向，以及金属丝连续纤维和绝热基底材料3配比，即绝热基底材料的挤丝量，导出3D打印代码；
本实施例导电金属丝1为铜丝，绝缘材料2为聚酯材料；绝热基底材料3为ABS；金属丝连续纤维和绝热基底材料3配比可以根据铜丝直径、喷头直径、打印速度等参数实时调整；
3)将3D打印代码导入复合材料3D打印机中，采用连续复合材料3D打印工艺，实现对第一电子元件4(NFC导电线圈)的一体化制造；金属丝连续纤维在打印过程中不发生性状改变，此外，绝缘材料2在与绝热基底材料3的混合过程中防止导电金属丝1在打印过程中断裂；
本实施例制备的第一电子元件4(NFC导电线圈)包括第一绝热基底4-1以及其上的第一金属丝漆包线4-2。
实施例2，参照图2，制备RFID导电线圈，一种基于金属丝连续纤维3D打印工艺的电子元件制备方法，包括以下步骤：
1)根据电子元件的具体功能、应用场景、导电线圈区域的形状，确定金属丝连续纤维的打印路径分布图；
2)金属丝连续纤维为导电金属丝1外裹绝缘材料2而成，根据电子元件的功能需求，确定导电金属丝1和绝缘材料2；结合3D打印机的成形精度，确定绝热基底材料3，分别得到金属丝连续纤维的轨迹走向，以及金属丝连续纤维和绝热基底材料3配比，即绝热基底材料的挤丝量，导出3D打印代码；
本实施例导电金属丝1为银丝，绝缘材料2为聚氨酯材料；绝热基底材料3为TPU；金属丝连续纤维和绝热基底材料3配比可以根据银丝直径、喷头直径、打印速度等参数实时调整；
3)将3D打印代码导入复合材料3D打印机中，采用连续复合材料3D打印工艺，实现对第二电子元件5(RFID导电线圈)的一体化制造；金属丝连续纤维在打印过程中不发生性状改变，此外，绝缘材料2在与绝热基底材料3的混合过程中防止导电金属丝1在打印过程中断裂；
本实施例制备的第二电子元件5(RFID导电线圈)包括第二绝热基底5-1以及其上的第二金属丝漆包线5-2。
实施例3，参照图3，制备PCB电路板，一种基于金属丝连续纤维3D打印工艺的电子元件制备方法，包括以下步骤：
1)根据电子元件的具体功能、应用场景、导电线圈区域的形状，确定金属丝连续纤维的打印路径分布图；
2)金属丝连续纤维为导电金属丝1外裹绝缘材料2而成，根据电子元件的功能需求，确定导电金属丝1和绝缘材料2；结合3D打印机的成形精度，确定绝热基底材料3，分别得到金属丝连续纤维的轨迹走向，以及金属丝连续纤维和绝热基底材料3配比，即绝热基底材料3的挤丝量，导出3D打印代码；
本实施例导电金属丝1为为金丝，绝缘材料2为聚酯亚胺材料；绝热基底材料3为PEEK；金属丝连续纤维和绝热基底材料3配比可以根据金丝直径、喷头直径、打印速度等参数实时调整；
3)将3D打印代码导入复合材料3D打印机中，采用连续复合材料3D打印工艺，实现对第三电子元件6(PCB电路板)的一体化制造；金属丝连续纤维在打印过程中不发生性状改变，此外，绝缘材料2在与绝热基底材料3的混合过程中防止导电金属丝1在打印过程中断裂；
本实施例制备的第三电子元件6(PCB电路板)包括第三绝热基底6-1以及其上的第三金属丝漆包线6-2。
本发明通过控制金属丝3D打印的连续纤维路径，实现了具有指定功能的电子元件的一体化快速成型，满足工业中电子元件研发阶段快速验证实验的特殊化、定制化需求，大大缩短电子元件的验证周期，在消费电子、航空航天、太空探索、汽车电子等领域都有着巨大的应用价值。

Claims (6)

1.一种基于金属丝连续纤维3D打印工艺的电子元件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据电子元件的具体功能、应用场景、导电线圈区域的形状，确定金属丝连续纤维的打印路径分布图；
2)金属丝连续纤维为导电金属丝(1)外裹绝缘材料(2)而成，根据电子元件的功能需求，确定导电金属丝(1)和绝缘材料(2)；结合3D打印机的成形精度，确定绝热基底材料(3)，分别得到金属丝连续纤维的轨迹走向，以及金属丝连续纤维和绝热基底材料(3)的配比，即绝热基底材料(3)的挤丝量，导出3D打印代码；
3)将3D打印代码导入复合材料3D打印机中，采用连续复合材料3D打印工艺，实现对电子元件的一体化制造。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的导电金属丝(1)为铜丝、银丝或金丝；绝缘材料(2)为聚酯材料、聚氨酯材料或聚酯亚胺材料。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的绝热基底材料(3)为ABS、尼龙、TPU、PDMS、PLA、PEEK或PPS，采用TPU、PDMS软胶类材料实现柔性电子元件的快速打样。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的金属丝连续纤维在打印过程中不发生性状改变，此外，绝缘材料(2)在与绝热基底材料(3)的混合过程中防止导电金属丝(1)在打印过程中断裂。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的金属丝连续纤维和绝热基底材料(3)配比根据导电金属丝(1)直径、喷头直径、打印速度的参数实时调整。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制备的电子元件包括绝热基底以及其上的金属丝漆包线。
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