基于FDM和電噴印技術的復合成型工藝

盧 帥，曹福來，王玉燕

(許昌學院 電氣與機械工程學院(工程訓練中心)，河南 許昌 461000)

隨著3D打印技術的快速發(fā)展，目前已廣泛應用于汽車電子、醫(yī)療工程、空天行業(yè)、機械建筑等諸多領域[1].然而，3D 打印技術應用于電子產(chǎn)品及導線電路的制造方面，依然存在著打印機種類較少、價格昂貴等一系列難題[2].嵌入式電子產(chǎn)品是近年來新出現(xiàn)的一種電子產(chǎn)品，是指在加工基體結構的同時，將所需各種功能性電子元器件嵌入成型到物體內部結構中，同時直接加工成型電路結構、連接線等，實現(xiàn)功能性結構電子產(chǎn)品一體化制造，其制造方法是典型的多材料和多尺度的增材制造技術，是復合3D打印工藝的典型應用[3].基于熔融沉積和電噴印的復合3D打印制造方法，結合了熔融沉積工藝和電噴印技術的優(yōu)勢，為實現(xiàn)低加工成本、高制造精度的嵌入式電子產(chǎn)品整體制造提供了一種新方法[4].利用FDM 3D打印工藝方法加工基體結構，連接電路部分由電噴印技術加工制造，其噴印材料為導電墨水[5-9].

1 熔融沉積與電噴印工藝復合加工實現(xiàn)機理

圖1 功能性結構電子組成框圖

嵌入式電子產(chǎn)品不僅要完成基體結構的成型，還要完成對于傳感器件、通信模塊、導線等電子元件的加工制造，同時利用導電墨水完成對結構電路的直寫加工，實現(xiàn)功能性結構電子產(chǎn)品一體化制造[10-14].基體結構采用熔融沉積工藝加工，導線電路采用電噴印成型.嵌入式電子結構主要分為3個部分，其組成框圖如圖1所示.

第一部分基體結構的制造及電子元器件的安裝布局.首先使用三維繪圖軟件(Solidworks、CATIA、UG等)設計基底結構的數(shù)字模型，通過格式轉換以后利用FDM 工藝加工外基體結構、連接電子電路所需的溝槽結構以及電子元件嵌入槽等，然后將電子元器件安裝到基底結構的相應位置中.

第二部分連接導電線路的加工.通過電噴印工藝加工連接導線電路，實現(xiàn)電子元件間的互聯(lián).選用銀系導電油墨作為電噴印工藝加工電子元件和連接電路的噴印材料，其物理化學性能穩(wěn)定，價格適中，導電性能優(yōu)良，粘度大具有良好的表面附著力，其氧化物也具有導電性能，能夠在室溫條件下實現(xiàn)導電性能穩(wěn)定、高分辨率導線的加工，廣泛應用于柔性電路多種電子元器件的制備，具有廣泛的應用前景.

第三部分完成整體結構的封裝.此過程關鍵是其裝配精度有較高要求，要確?；w結構與電路結構的準確定位，提高封裝的可靠性及結構的工作穩(wěn)定性.

2 熔融沉積與電噴印工藝復合加工成型流程

根據(jù)FDM、電噴印復合3D打印加工成型的實現(xiàn)機理，結合功能性結構電子整體制造的加工要求，F(xiàn)DM、電噴印復合加工技術整體制造的成型流程如圖2所示.其整體制造工藝過程可分為不同階段.

圖2 FDM與電噴印復合加工整體制造成型流程

第一，設計分析階段.根據(jù)功能性結構性電子的使用要求，對基體結構以及連接電路結構進行空間設計，并進行電子元器件和連接電路的集成設計與優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化設計的結果，對功能性結構電子進行三維建模，通過模型轉換生成所需要的STL格式文件.

第二，加工成型階段.對結構電子的基底結構、安裝電路的溝槽結構以及外形輪廓結構，采用FDM(熔融沉積)工藝加工成型，基體結構加工完成以后，將電子元器件安裝到相應的位置，采用電噴印工藝加工電子元器件的連接電路.

連接導線的成線性能與穩(wěn)定性對結構性功能電子有重要影響.電壓是影響電噴印加工工藝成線性能與穩(wěn)定性的重要因素，使用有限元軟件COMSOL Multiphysics對電噴印工藝電壓對導線成型形態(tài)進行數(shù)值模擬，仿真模擬中的流體介質為導電銀漿，其基本參數(shù)與工作條件如表1所示.

不同電壓作用下液滴成型形態(tài)的仿真模擬結果如圖3所示.

從仿真結果中可以看出，當施加電壓為0 V時，電場力為0，液滴直接呈橢球形滴下；當施加電壓逐漸增大時，電場強度亦逐漸增大，液滴橢球形狀呈收斂趨勢，其橫向直徑逐漸減小；當施加電壓為1 200 V時，液滴不再是橢球形而是以錐形形狀出現(xiàn)；當施加電壓達到1 600 V 時，液滴橫向直徑再次變大，錐形逐漸縮短.

實際試驗過程中發(fā)現(xiàn)電壓對導線成型形態(tài)的影響與仿真模擬結果基本一致，在電壓為1 200 V條件下，液滴錐形明顯穩(wěn)定，因此選取1 200 V作為電噴印工藝施加電壓進行功能性結構電子復合加工的研究.

第三，性能檢驗階段.通過FDM工藝和電噴印工藝完成基體結構以及電路結構的加工封裝以后，需對功能性結構電子整體性能和結構進行測試，對未能實現(xiàn)預期功能的結構需進行再次優(yōu)化.

表1 模擬仿真參數(shù)設置與工作條件

0 V 600 V 1 200 V 1 800 V圖3 電場作用下液滴成型形態(tài)數(shù)值模擬

3 結構及電路的優(yōu)化設計與制造

3.1 結構設計優(yōu)化

嵌入式電子產(chǎn)品的結構設計主要是對滿足功能要求的基體結構、溝槽結構、連接導線電路結構三部分的設計，與傳統(tǒng)增材過程相比，功能性結構電子的結構優(yōu)化設計需要從以下兩個方面把握.

3.1.1 電路層數(shù)與空間布局

在滿足功能性電子空間結構的前提下，盡量使電子元器件布局在同一層成型結構上；如果電路結構需要分層布置，還要進行多層次結構之間的電路設計.鑒于多層次結構連接導線制造過程的復雜性，在進行設計時應盡量減少結構的層數(shù)，進而減少成型過程中的中斷暫停加工次數(shù)，增強功能性電子產(chǎn)品制造的精度和質量.

功能性結構電子的尺寸設計，連接導線的嵌入孔槽設計是重點和難點，通常要使嵌入的電子元器件與暫停層結構位于同一平面，還要使電子元器件嵌入槽的高度與厚度相等，避免電子元器件之間發(fā)生干涉.

3.1.2 中斷位置以及裝配精度保證

根據(jù)結構性電子加工過程中空間結構的層厚，成型過程中需要在相應的位置中斷暫停，為保證結構的整體和完整性，提高成型的精度和質量，盡量使中斷位置的高度與層厚成整數(shù)倍關系.

功能性結構電子的制造是由熔融沉積3D打印機和電噴印3D打印機共同完成的，零部件會在兩者之間進行拆卸和裝配，因此，為保證裝配精度要求，通過設計安裝輔助定位裝置，才能使結構成型前后的加工位置一致，才能提高部件的穩(wěn)定性與可靠性.

3.2 導電線路路徑優(yōu)化

導電線路的優(yōu)化設計對功能性結構電子的功能實現(xiàn)及性能穩(wěn)定性具有重要影響[15-18]，結構性功能電子中電路的布置與印制電路板布線基本相同，在外形輪廓上確定電子元器件孔槽的空間位置.根據(jù)電路結構圖和對電路布線的集成優(yōu)化，確定功能性結構電的電路結構.在滿足功能性電子使用要求的的尺寸限制內，根據(jù)各電子元件的電學特性，要合理地規(guī)劃電子元器件之間的距離，使電子元器件排列整齊、布置緊湊，因為相比較傳統(tǒng)材料零件，電子元器件和導線都非常敏感，避免產(chǎn)生干涉.在進行電子元件的空間位置布局時，盡量使導電線路豎直分布；另外，應盡量避免長距離的連接電路，降低能耗.

4 結語

根據(jù)熔融沉積造型、電噴印復合3D打印技術的機理，分析了一種復合3D打印整體制造的加工方法，研究了基于熔融沉積、電噴印成型復合的功能性結構電子的工藝過程.根據(jù)功能性結構電子整體成型制造的要求，確立了基體結構、導電電路的成型手段，結合實際科研經(jīng)驗總結了結構與導電線路的優(yōu)化路徑.