一种三维结构电子器件的3D打印制造方法技术

一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，先根据待成形件的性能要求，设计三维结构电子器件中电路的空间分布和基体结构的几何尺寸，建立三维CAD的模型，按照加工方向对模型进行分层处理，得到每层截面的材料分布，编写打印头集成装置和工作平台的相对运动程序，然后选定符合性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料，再打印基材，在工作平台上形成基体结构，再切换打印头，打印导线，运动机构带动工作平台下降一个分层厚度，重复打印基材和打印导线的打印过程，直至打印完全部基体结构和导线，得到结构电子，本发明专利技术实现导线与基体绝缘介质的同步打印，进而实现三维空间任意排布。

3D printing manufacturing method of three-dimensional structure electronic device

A method for manufacturing the three-dimensional structure of electronic devices 3D printing, according to the performance requirements for forming, geometry and spatial distribution of the matrix structure of the three-dimensional structure of circuit design in electronic devices, the establishment of three-dimensional CAD model, the model slicing processing in accordance with the direction of material distribution of each layer section, relative motion program write the printhead integrated device and a working platform, and then select the line wire printing materials and printing material matrix structure performance requirements, and then print the substrate, forming a matrix structure on the working platform, and then switch the printing head, printing wire motion mechanism drives the platform down a layer thickness, printing process and printing print substrate until the end of the wire, print all the matrix structure and the wire, the invention realizes the electronic structure, and the base wire insulation medium And then realize the arbitrary arrangement of three dimensional space.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及结构电子制造
，具体涉及一种三维结构电子器件的3D打印制造方法。
技术介绍
结构电子是指电路与电子元件按照一定的三维空间布局，附着或镶嵌于基体结构上，形成的三维电气结构。其核心特征是：电气部分具有三维空间布局，使空间利用率提高，体积减小；基体结构具有三维形态，使结构电子整体具备一定的力学性能。利用这些有益特性，结构电子可用于制造大量的新型电子器件，实现功能与结构的一体化，如曲面共形结构电子器件、超级传感器结构电子器件、抗压结构电子器件等。结构电子传统制造工艺的线路附着于基板，基板为二维平面薄板，线路只能二维排布，难以实现新型结构电子器件的制造。目前为止仅有少量的研究对结构电子制造进行了尝试：如将电路印刷在柔性平板上，通过折弯平板获得一定程度的三维尺寸，但此方法在本质上仍然是二维印刷，在垂直于平板的方向上并不能自由设计和制造电路，制造出的实质上是二维或是2.5维的结构；又如用光固化成型工艺加工出三维基体结构，然后在基体结构外表面采用直写工艺制造导电线路。此方法虽然采用了三维基体结构，但其电路只存在于基体结构外表面，是二维线路的组合，并未实现三维空间任意排布。由此可见，现有工艺方法不能满足具有功能-结构一体化的结构电子器件的制造需求，需要工艺创新来实现新型三维结构电子器件的制造。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，实现导线与基体绝缘介质的同步打印，进而实现三维空间任意排布。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，包括以下步骤：1)根据待成形件的性能要求，设计三维结构电子器件中电路的空间分布和基体结构的几何尺寸，建立三维CAD的模型；按照加工方向对模型进行分层处理，得到每层截面的材料分布，编写打印头集成装置1和工作平台2的相对运动程序；2)选定符合性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料，导线打印材料是铜锡合金、银锡合金、锡铅合金的低熔点金属丝，或是纳米银离子凝胶溶液、导电高分子水凝胶的导电墨水，或是铝粉、铜粉的金属粉末，基体结构打印材料为丝状ABS、PLA、PEEK绝缘性高分子材料；3)打印基材，运动机构3运动到零点，打印头集成装置1上的基材打印头4从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面，基材打印头4按照当前层预定轨迹进行运动，同时绝缘性的基体丝材5从基体结构材料丝盘6出发，经过张紧、牵引进入基材打印头4，加热熔融后，进入基材打印喷嘴7并被挤出沉积在工作平台2上形成基体结构8；4)切换打印头，打印头集成装置1上的基材打印头4从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头9、导电墨水打印头10或金属粉末打印头11中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面；5)打印导线，采用金属丝材作为原材料时，金属丝材12从金属丝材丝盘13中出发，经过张紧、牵引进入金属丝打印头9，经加热熔融后在压力作用下到达金属丝打印喷嘴14并被挤出，沉积在基体结构8上，形成电路中的导线15，金属丝材12选择铜锡合金、银锡合金或铅锡合金；采用导电墨水作为原材料时，导电墨水16在压力的作用下，经导管17从导电墨水溶液腔18进入导电墨水打印头10，然后进入导电墨水喷嘴19并被挤出，沉积在基体结构8上，形成电路中的导线15，导电墨水16选择纳米银离子凝胶溶液或导电高分子水凝胶；采用金属粉末作为原材料时，金属粉末20在压力的作用下，从金属粉末盒21进入金属粉末打印头11，然后进入金属粉末嘴22，并被喷出、嵌入基体结构8，形成电路中的导线15，金属粉末20选择铜粉、钛粉或铝粉；6)运动机构3带动工作平台2下降一个分层厚度，重复打印基材和打印导线的打印过程，直至打印完全部基体结构和导线，得到结构电子23。所述的打印头集成装置1包括喷头安装台24，喷头安装台24为倒置的圆台形状，其顶面和底面是圆形平面，喷头安装台24的侧面和底面有呈十字交叉型的4个档位槽，4个档位槽在喷头安装台24的底面中心位置相交，档位槽内分别安装着基材打印头4、金属丝打印头9、导电墨水打印头10和金属粉末打印头11，这4个打印头都能够在各自的档位槽内滑动；在喷头安装台24的顶面连接有连接头25，连接头25用于连接喷头安装台24和打印机的运动机构3，喷头安装台24顶面还连接有基体结构材料丝盘6、金属丝材丝盘13、导电墨水溶液腔18和金属粉末盒21，基体丝材5、金属丝材12从喷头安装台24顶面的小孔进入喷头安装台24内部，然后分别进入基材打印头4、金属丝打印头9；导电墨水16通过导管17与导电墨水打印头10连接，导管17穿过喷头安装台24内部；金属粉末20从金属粉末盒21出发，经过喷头安装台24内部的管道进入金属粉末打印头11。打印基体结构时，基材打印头4从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，打印导线时，基材打印头4从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头9、导电墨水打印头10或金属粉末打印头11中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，打印导线，如此往复交替，实现基体结构和导线的同步打印。本专利技术的有益效果为：通过对3D打印过程的控制，实现导线与基体绝缘介质的同步打印，实现功能-结构一体化的三维结构电子器件的快速制造。此方法具有诸多优点:有利于提高结构的电路密度、减小结构的占用空间，三维基体结构使结构电子器件获得了力学承载功能；在制造过程中不会产生污染物，环境友好性佳；由于3D打印逐层制造的工艺特点，此方法可用于快速、低成本地制造异形、结构复杂的结构电子器件。因此，这一专利技术的应用将有助于电子器件向着小体积、高集成性、高环境友好性、高力学性能、高形态适用性的方向发展，在卫星通讯、国防军事、生物医疗、工业生产、民生等领域都具有一定的应用前景。附图说明图1是本专利技术结构电子3D打印原理示意图。图2是本专利技术打印头集成装置1结构示意图。图3是结构电子23的结构示意图。图4是喷头安装台24的结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，包括以下步骤：1)参照图1，根据待成形件的性能要求，设计三维结构电子器件中电路的空间分布和基体结构的几何尺寸，建立三维CAD的模型；按照加工方向对模型进行分层处理，得到每层截面的材料分布，编写打印头集成装置1和工作平台2的相对运动程序；2)选定符合性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料，导线打印材料是铜锡合金、银锡合金、锡铅合金的低熔点金属丝，或是纳米银离子凝胶溶液、导电高分子水凝胶的导电墨水，或是铝粉、铜粉的金属粉末，基体结构打印材料为丝状ABS、PLA、PEEK绝缘性高分子材料；3)参照图1、图2与图3，打印基材，运动机构3运动到零点，打印头集成装置1上的基材打印头4从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面，基材打印头4按照当前层预定轨迹进行运动，同时绝缘性的基体丝材5从基体结构材料丝盘6出发，经过张紧、牵引进入基材打印头4，加热熔融后，进入基材打印喷嘴7并被挤出沉积在工作平台2上形成基体结构8；4)参照图2，切换打印头，打印头集成装置1上的基材打印头4从底面中心位置移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据待成形件的性能要求，设计三维结构电子器件中电路的空间分布和基体结构的几何尺寸，建立三维CAD的模型；按照加工方向对模型进行分层处理，得到每层截面的材料分布，编写打印头集成装置(1)和工作平台(2)的相对运动程序；2)选定符合性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料，导线打印材料是铜锡合金、银锡合金、锡铅合金的低熔点金属丝，或是纳米银离子凝胶溶液、导电高分子水凝胶的导电墨水，或是铝粉、铜粉的金属粉末，基体结构打印材料为丝状ABS、PLA、PEEK绝缘性高分子材料；3)打印基材，运动机构(3)运动到零点，打印头集成装置(1)上的基材打印头(4)从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面，基材打印头(4)按照当前层预定轨迹进行运动，同时绝缘性的基体丝材(5)从基体结构材料丝盘(6)出发，经过张紧、牵引进入基材打印头(4)，加热熔融后，进入基材打印喷嘴(7)并被挤出沉积在工作平台(2)上形成基体结构(8)；4)切换打印头，打印头集成装置(1)上的基材打印头(4)从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头(9)、导电墨水打印头(10)或金属粉末打印头(11)中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面；5)打印导线，采用金属丝材作为原材料时，金属丝材(12)从金属丝材丝盘(13)中出发，经过张紧、牵引进入金属丝打印头(9)，经加热熔融后在压力作用下到达金属丝打印喷嘴(14)并被挤出，沉积在基体结构(8)上，形成电路中的导线(15)，金属丝材(12)选择铜锡合金、银锡合金或铅锡合金；采用导电墨水作为原材料时，导电墨水(16)在压力的作用下，经导管(17)从导电墨水溶液腔(18)进入导电墨水打印头(10)，然后进入导电墨水喷嘴(19)并被挤出，沉积在基体结构(8)上，形成电路中的导线(15)，导电墨水(16)选择纳米银离子凝胶溶液或导电高分子水凝胶；采用金属粉末作为原材料时，金属粉末(20)在压力的作用下，从金属粉末盒(21)进入金属粉末打印头(11)，然后进入金属粉末嘴(22)，并被喷出、嵌入基体结构(8)，形成电路中的导线(15)，金属粉末(20)选择铜粉、钛粉或铝粉；6)运动机构(3)带动工作平台(2)下降一个分层厚度，重复打印基材和打印导线的打印过程，直至打印完全部基体结构和导线，得到结构电子(23)。...

【技术特征摘要】
1.一种三维结构电子器件的3D打印制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据待成形件的性能要求，设计三维结构电子器件中电路的空间分布和基体结构的几何尺寸，建立三维CAD的模型；按照加工方向对模型进行分层处理，得到每层截面的材料分布，编写打印头集成装置(1)和工作平台(2)的相对运动程序；2)选定符合性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料，导线打印材料是铜锡合金、银锡合金、锡铅合金的低熔点金属丝，或是纳米银离子凝胶溶液、导电高分子水凝胶的导电墨水，或是铝粉、铜粉的金属粉末，基体结构打印材料为丝状ABS、PLA、PEEK绝缘性高分子材料；3)打印基材，运动机构(3)运动到零点，打印头集成装置(1)上的基材打印头(4)从其所在的档位槽外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面，基材打印头(4)按照当前层预定轨迹进行运动，同时绝缘性的基体丝材(5)从基体结构材料丝盘(6)出发，经过张紧、牵引进入基材打印头(4)，加热熔融后，进入基材打印喷嘴(7)并被挤出沉积在工作平台(2)上形成基体结构(8)；4)切换打印头，打印头集成装置(1)上的基材打印头(4)从底面中心位置移动到其档位槽外末端，然后金属丝打印头(9)、导电墨水打印头(10)或金属粉末打印头(11)中的一个打印头，从其所在档位槽的外末端移动到底面中心位置，进入当前打印面；5)打印导线，采用金属丝材作为原材料时，金属丝材(12)从金属丝材丝盘(13)中出发，经过张紧、牵引进入金属丝打印头(9)，经加热熔融后在压力作用下到达金属丝打印喷嘴(14)并被挤出，沉积在基体结构(8)上，形成电路中的导线(15)，金属丝材(12)选择铜锡合金、银锡合金或铅锡合金；采用导电墨水作为原材料时，导电墨水(16)在压力的作用下，经导管(17)从导电墨水溶液腔(18)进入导电墨水打印头(10)，然后进入导电墨水喷嘴(19)并被挤出，沉积在基体结构(8)上，形成电路中的导线(15)，导电墨水(16)选择纳米银离子凝胶溶液或导电高分子水凝胶；采用金属粉末作为原材料时，金属粉末(20)在...

【专利技术属性】
技术研发人员：田小永，尹丽仙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61