[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

技術領域

本發明涉及結構電子制造技術領域，具體涉及一種三維結構電子器件的3D打印制造方法。

背景技術

結構電子是指電路與電子元件按照一定的三維空間布局，附著或鑲嵌于基體結構上，形成的三維電氣結構。其核心特征是：電氣部分具有三維空間布局，使空間利用率提高，體積減小；基體結構具有三維形態，使結構電子整體具備一定的力學性能。利用這些有益特性，結構電子可用于制造大量的新型電子器件，實現功能與結構的一體化，如曲面共形結構電子器件、超級傳感器結構電子器件、抗壓結構電子器件等。

結構電子傳統制造工藝的線路附著于基板，基板為二維平面薄板，線路只能二維排布，難以實現新型結構電子器件的制造。目前為止僅有少量的研究對結構電子制造進行了嘗試：如將電路印刷在柔性平板上，通過折彎平板獲得一定程度的三維尺寸，但此方法在本質上仍然是二維印刷，在垂直于平板的方向上并不能自由設計和制造電路，制造出的實質上是二維或是2.5維的結構；又如用光固化成型工藝加工出三維基體結構，然后在基體結構外表面采用直寫工藝制造導電線路。此方法雖然采用了三維基體結構，但其電路只存在于基體結構外表面，是二維線路的組合，并未實現三維空間任意排布。由此可見，現有工藝方法不能滿足具有功能-結構一體化的結構電子器件的制造需求，需要工藝創新來實現新型三維結構電子器件的制造。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種三維結構電子器件的3D打印制造方法，實現導線與基體絕緣介質的同步打印，進而實現三維空間任意排布。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種三維結構電子器件的3D打印制造方法，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、錫鉛合金的低熔點金屬絲，或是納米銀離子凝膠溶液、導電高分子水凝膠的導電墨水，或是鋁粉、銅粉的金屬粉末，基體結構打印材料為絲狀ABS、PLA、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。