[發明專利]一種三維結構電子器件的3D打印制造方法

有效

• 申請號: 201610606920.7
• 申請日: 2016-07-28
• 公開（公告）號: CN106111981B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 田小永;尹麗仙
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F3/00
• 分類號: B22F3/00;B22F5/00;B29C67/06;B33Y10/00;H05K3/46
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種三維結構電子器件的3D打印制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)根據待成形件的性能要求，設計三維結構電子器件中電路的空間分布和基體結構的幾何尺寸，建立三維CAD的模型；按照加工方向對模型進行分層處理，得到每層截面的材料分布，編寫打印頭集成裝置(1)和工作平臺(2)的相對運動程序；

2)選定符合性能要求的導線打印材料和基體結構打印材料，導線打印材料是銅錫合金、銀錫合金或錫鉛合金的低熔點金屬絲，或是納米銀離子凝膠溶液或導電高分子水凝膠的導電墨水，或是鋁粉或銅粉的金屬粉末，基體結構打印材料為絲狀ABS、PLA或PEEK絕緣性高分子材料；

3)打印基材，運動機構(3)運動到零點，打印頭集成裝置(1)上的基材打印頭(4)從其所在的檔位槽外末端移動到底面中心位置，進入當前打印面，基材打印頭(4)按照當前層預定軌跡進行運動，同時絕緣性的基體絲材(5)從基體結構材料絲盤(6)出發，經過張緊、牽引進入基材打印頭(4)，加熱熔融后，進入基材打印噴嘴(7)并被擠出沉積在工作平臺(2)上形成基體結構(8)；

4)切換打印頭，打印頭集成裝置(1)有4個打印頭，打印頭集成裝置(1)上的基材打印頭(4)從底面中心位置移動到其檔位槽外末端，然后金屬絲打印頭(9)、導電墨水打印頭(10)或金屬粉末打印頭(11)中的一個打印頭，從其所在檔位槽的外末端移動到底面中心位置，進入當前打印面；

5)打印導線，采用金屬絲材作為原材料時，金屬絲材(12)從金屬絲材絲盤(13)中出發，經過張緊、牽引進入金屬絲打印頭(9)，經加熱熔融后在壓力作用下到達金屬絲打印噴嘴(14)并被擠出，沉積在基體結構(8)上，形成電路中的導線(15)，金屬絲材(12)選擇銅錫合金、銀錫合金或鉛錫合金；

采用導電墨水作為原材料時，導電墨水(16)在壓力的作用下，經導管(17)從導電墨水溶液腔(18)進入導電墨水打印頭(10)，然后進入導電墨水噴嘴(19)并被擠出，沉積在基體結構(8)上，形成電路中的導線(15)，導電墨水(16)選擇納米銀離子凝膠溶液或導電高分子水凝膠；

采用金屬粉末作為原材料時，金屬粉末(20)在壓力的作用下，從金屬粉末盒(21)進入金屬粉末打印頭(11)，然后進入金屬粉末嘴(22)，并被噴出、嵌入基體結構(8)，形成電路中的導線(15)，金屬粉末(20)選擇銅粉、鈦粉或鋁粉；

6)運動機構(3)帶動工作平臺(2)下降一個分層厚度，重復打印基材和打印導線的打印過程，直至打印完全部基體結構和導線，得到結構電子(23)。

2.根據權利要求1所述的一種三維結構電子器件的3D打印制造方法，其特征在于：所述的打印頭集成裝置(1)包括噴頭安裝臺(24)，噴頭安裝臺(24)為倒置的圓臺形狀，其頂面和底面是圓形平面，噴頭安裝臺(24)的側面和底面有呈十字交叉型的4個檔位槽，4個檔位槽在噴頭安裝臺(24)的底面中心位置相交，檔位槽內分別安裝著基材打印頭(4)、金屬絲打印頭(9)、導電墨水打印頭(10)和金屬粉末打印頭(11)，這4個打印頭都能夠在各自的檔位槽內滑動；在噴頭安裝臺(24)的頂面連接有連接頭(25)，連接頭(25)用于連接噴頭安裝臺(24)和打印機的運動機構(3)，噴頭安裝臺(24)頂面還連接有基體結構材料絲盤(6)、金屬絲材絲盤(13)、導電墨水溶液腔(18)和金屬粉末盒(21)，基體絲材(5)、金屬絲材(12)從噴頭安裝臺(24)頂面的小孔進入噴頭安裝臺(24)內部，然后分別進入基材打印頭(4)、金屬絲打印頭(9)；導電墨水(16)通過導管(17)與導電墨水打印頭(10)連接，導管(17)穿過噴頭安裝臺(24)內部；金屬粉末(20)從金屬粉末盒(21)出發，經過噴頭安裝臺(24)內部的管道進入金屬粉末打印頭(11)。

3.根據權利要求2所述的一種三維結構電子器件的3D打印制造方法，其特征在于：打印基體結構時，基材打印頭(4)從其所在的檔位槽外末端移動到底面中心位置，打印導線時，基材打印頭(4)從底面中心位置移動到其檔位槽外末端，然后金屬絲打印頭(9)、導電墨水打印頭(10)或金屬粉末打印頭(11)中的一個打印頭，從其所在檔位槽的外末端移動到底面中心位置，打印導線，如此往復交替，實現基體結構和導線的同步打印。