结构性电子3D打印技术国内研发进行时

3D科学谷 浏览次数: 2016-12-02 13:23

电子产品制造中的电气互联技术,已经由以表面组装技术、微组装技术、立体组装技术、高密度组装技术等技术为标志的发展时期,逐步进入了以光电互联、绿色组'...

电子产品制造中的电气互联技术,已经由以表面组装技术、微组装技术、立体组装技术、高密度组装技术等技术为标志的发展时期,逐步进入了以光电互联、绿色组装、结构功能组件互联、多介质复杂组件互联等技术为标志的新技术发展时期。为保证各类新型电路组件/模块的电气互联品质和效率,电子行业对与这些要求相适应的新工艺、新方法提出需求。而3D 打印的制造过程快速、结构形体复杂性无限制等技术特性,尤其适用于电子产品的单件、多品种小批量研制,以及采用传统制造方式难以实现的结构电子产品的开发。

在结构电子产品制造领域,美国Optomec公司通过气溶胶喷射3D打印技术已被应用在小批量产品的生产中,使用该技术3D打印的曲面共形天线或在眼镜上直接印制AR电子设备就是其中颇具代表性的应用。那么,国内企业或科研机构在3D打印结构电子产品的制造领域发展到什么程度了?本期,3D科学谷将与谷友们共同了解一下。

图片:Optomec 共形天线

基体结构和导线交替打印

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。由于电气部分具有三维空间布局,电子产品的空间利用率得到提升,体积得到减小。典型的结构电子产品包括:曲面共形的天线、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。其中一种新型的结构电子器件制造方法是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,但是这个方法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。

另一种新型的结构电子器件制造方法是用SLA 技术3D打印出三维基体结构,然后在基体结构外表面采用直写工艺制造导电线路。在这个方法中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,仍然是二维线路的组合,并未实现三维空间任意排布。那么,是可以通过一种创新工艺来实现新型三维结构电子器件的制造呢?西安交通大学通过一种导线与基体同步打印的3D打印技术实现了结构电子产品三维空间的任意排布。

与其他3D打印产品类似,在进行3D打印之前首先需要根据结构电子产品的性能要求设计出电子器件中的电路空间分布和打印基体的几何尺寸,完成产品建模之后,对3D模型进行分层处理,得到每层截面的材料分布,并编写打印头集成装置和工作平台的相对运动程序。

接下来,使用符合产品性能要求的导线打印材料和基体结构打印材料进行结构电子产品的3D打印。导线打印材料可以有三种不同形态,包括铜锡合金、银锡合金、锡铅合金这样的低熔点金属丝,纳米银离子凝胶溶液、导电高分子水凝胶的导电墨水,以及铝粉、铜粉等金属粉末。基体的3D打印材料则为ABS、PLA、PEEK绝缘性高分子丝材。

在打印时首先通过基体3D打印材料和打印头完成基体部分的3D打印,然后切换为导线材料的打印头,从而进行导线部分的3D打印。无论是使用以上所说的三种导线材料中的哪一种材料,导线材料都将通过打印头沉积3D打印的基体结构中。

在完成一层基体结构和导线的打印之后,工作台将下降一个分层厚度,重复打印基材和打印导线的打印过程,直到打印完全部基体结构和导线得到结构电子。

亲爱的谷友,你还了解哪些结构电子产品的3D打印技术,欢迎在文后评论补充。

参考资料:

专利:三维结构电子器件的3D打印制造方法

专利:Methods and Systems For Embedding Filaments in 3D Structures, Structural Components, and Structural Electronic, Electromagnetic and Electromechanical Components/Devices

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