一种具有空间立体电路的电路板3D打印方法

摘要

本发明公开了一种具有空间立体电路的电路板3D打印方法，其包括如下步骤：利用三维建模软件设计电路板结构模型和电路线路；利用切片软件将电路板结构模型分层切片，识别切片层中结构和电路线路信息；将每层识别的信息输入至设有双喷头的FDM设备中；双喷头根据每层的结构信息和电路线路信息，逐层进行沉积成形，在成形过程中，每完成一切片层的沉积成形，使成形件下降一个设定层厚的高度，双喷头继续在已成形的切片层上沉积下一层切片层，如此逐层循环堆叠，直至完成整个电路板的打印；对电路板进行后续处理获得所需的电路板。该方法极大简化了传统制造工序，缩短了制造周期，减小了制造成本，能显著提升电子产品外观结构设计的自由度。

说明书

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，更具体地，涉及一种具有空间立体电路 的电路板3D打印方法。

背景技术

电子产品系统是由零件、元器件等组成，在其制造过程中，先将零件、 元器件组装成部件，再将部件组装成整机，其核心工作是将元器件组装成 具有一定功能的电路板部件，因此，电子产品的制造核心在于印刷电路板 (PrintedCircuitBoard，PCB)的制造。电路板是电子元器件电气连接 的载体，几乎每种具有集成电路的电子元器件的设备，例如手表、计算器、 计算机、通讯设备等，都要使用印刷电路板，因而电路板的设计和制造质 量直接影响到整个电子产品的质量和成本。从使用的角度看，电路板分为 单面板、双面板和多层板三类，在面向更复杂的应用需求时，多层板的电 路可以被设计成多层，在层间布建通孔电路连通各层电路，可大大增加布 线面积。

通常电路板的制作流程为开料、钻孔、沉铜、图形转移、图形电镀、 退膜、蚀刻、绿油转移、添加字符、成型和测试等，工序复杂且无法满足 高布线复杂度、高精度的电路板制造。目前，采用3D打印(3DPrinting) 技术制备高布线复杂度、高精度的多层电路板已成为发展趋势。3D打印以 数字化模型为基础，通过特定的成型设备，用液化、粉末状、丝状的金属、 高分子和陶瓷等材料，基于逐层堆积方式打印出三维实体。

现有技术中，针对3D打印电路板已有一些方案。例如，CN104486910A 提出了一种采用3D打印技术制作多层电路板的方法，具体使用激光选区烧 结(SelectiveLaserSintering,SLS)在基板上进行耐热绝缘层的打印， 然后采用直接金属激光烧结(DirectMetalLaserSintering,DMLS)在 绝缘层上进行电路打印，如此往复打印出多层电路板；CN104411122A提出 了一种多层柔性电路板的3D打印方法，使用3D喷射技术打印基板，采用 激光工程化近成形(LaserEngineeredNetShaping，LENS)在基板上打 印金属部分。然而，上述两种电路板的制造方案均采用了两种不同3D打印 工艺复合成形单一平板结构的常规电路板，不仅复合工艺成本高，而且成 形电路板的布线方式和体积均未发生改变，导致电路板在电子设备中仍然 占用相当部分的空间，并且散热过于集中；另一方面，设备的外形结构设 计仍然受到限制，3D打印面向结构自由设计的优势受到极大约束。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有空间立 体电路的电路板3D打印方法，其中利用搭载双喷头的FDM(FusedDeposition Modeling,熔融沉积成形)设备，根据计算机CAD设计模型，利用一路喷头 打印设计的三维电路板基板，另一路喷头在基板上打印电路线路，通过控 制系统控制喷头工作时机，在打印电路板三维结构的过程中同时打印电路， 一体化成形具有空间立体复杂电路的电路板结构。其中，FDM作为3D打印 技术的一种，将丝状的热熔性高分子材料在喷头处加热融化，同时三维喷 头在控制系统的控制下根据实体的截面轮廓信息，将熔融材料选择性地沉 积在工作台上，经快速冷却后形成对应的单层截面，一层成形完成后，机 器工作台下降一个分层高度继续成形下一层，直至形成整个实体。该方法 极大简化了传统制造工序，缩短了制造周期，减小了制造成本，能显著提 升电子产品外观结构设计的自由度。

为实现上述目的，本发明提出了一种具有空间立体电路的电路板3D打 印方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用三维建模软件设计待打印的电路板结构模型，以及随电路板结 构形状分布的电路线路；

2)利用切片软件将所述电路板结构模型分层切片，识别各切片层中电 路板的结构信息和电路线路信息；

3)将每层识别的所述结构信息和电路线路信息输入至设有双喷头的 FDM设备中，所述双喷头包括前置喷头和后置喷头，所述前置喷头用于喷射 高分子丝材，所述后置喷头用于喷射导电橡胶丝材；

4)所述双喷头根据每层的结构信息和电路线路信息，逐层进行沉积成 形。在成形过程中，每完成一切片层的沉积成形，使成形件下降一个设定 层厚的高度，然后双喷头继续在已成形的切片层沉积下一层切片层，如此 逐层循环堆叠，直至完成整个电路板的打印；所述前置喷头用于打印当前 层的结构部分，所述后置喷头用于打印当前层的电路线路部分；

5)对所述电路板进行后续处理，获得所需的具有空间立体电路的电路 板产品。

作为进一步优选的，当切片层中只包含结构部分时，只有前置喷头工 作；当切片层中同时包含结构部分和电路部分时，前置喷头打印结构部分 时后置喷头停止工作，后置喷头打印电路线路部分时前置喷头停止工作。

作为进一步优选的，所述高分子丝材优选为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚 合物细丝、消失模铸造蜡丝、聚烯烃树脂丝、尼龙丝或聚酰胺丝。

作为进一步优选的，所述高分子丝材的直径优选为1.2mm～1.8mm。

作为进一步优选的，所述导电橡胶丝材以硅橡胶作为外壳，银镀铜、 银镀铝、银镀镍、纯银中的一种作为所述外壳内的填充物。

作为进一步优选的，所述导电橡胶丝材的最大体积电阻率不超过0.008 Ω/cm。

作为进一步优选的，所述双喷头采用内置加热棒式黄铜喷嘴，所述喷 嘴直径为0.2mm～0.4mm。

作为进一步优选的，所述设定的层厚为0.1mm，所述打印的速度为 50mm/s～150mm/s。

作为进一步优选的，在所述电路板结构中需要插入芯片和电源处设计 接口，供芯片和电源直接接入。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要 具备以下的技术优点：

1.本发明采用空间立体电路打印工艺，在打印电路板三维结构的过程 中同时打印电路，从而形成空间立体的电路结构，可直接一体化成形具有 空间立体复杂电路的电路板产品，极大拓展了3D打印电路的应用范围，解 决现有复合3D打印工艺只用于成形单一平板结构电路板的问题，相比于现 有的搭载电路板产品的制造方法，本发明针对先设计电路板后装配到产品 中的现状，提供了直接制备具有空间立体电路的电路板产品的3D打印方法， 能够减小电子产品的体积、优化电子产品外形结构，极大简化了传统制造 工序，缩短了制造周期，减小了制造成本，成形速度快，精度高，有望推 动电子产品制造技术的发展。

2.本发明在电路板产品需要插入芯片和电源的地方设计接口，供芯片和 电源直接接入，有助于解决现有制作电路板单一平板结构带来的空间利用 率低、限制电子设备外形结构、散热集中的缺点，且能显著提升电子产品 外观结构设计的自由度。

附图说明

图1是本发明的长方体状产品结构示意图；

图2是本发明的半圆柱状产品结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

本发明的原理是在打印电子产品三维结构的过程中同时打印电路，该 方法利用搭载不同功能材料的双喷头的FDM设备，根据计算机CAD设计 模型，利用一路喷头打印设计的三维结构电路板基板，另一路喷头在基板 上打印电路线路，通过控制系统控制喷头工作时机，一体化成形具有空间 立体电路的电路板结构。

具体而言，本发明的一种具有空间立体电路的电路板3D打印方法，主 要包括如下步骤：

1)利用三维建模软件设计待打印的电路板结构模型，以及随电路板结 构形状分布的电路线路；

2)利用切片软件将电路板结构模型分层切片，识别各切片层中电路板 的结构信息和电路线路信息；

3)将每层识别的结构信息和电路线路信息输入至设有双喷头的FDM设 备中，双喷头包括前置喷头和后置喷头，前置喷头用于喷射高分子丝材， 后置喷头用于喷射导电橡胶丝材；

4)双喷头根据每层的结构信息和电路线路信息，逐层进行沉积成形， 在成形过程中，每完成一切片层的沉积成形，使已成形的成形件下降一个 设定层厚的高度，本发明中设定的层厚为0.1mm，然后双喷头继续在已成形 的切片层上沉积下一层切片层，如此逐层循环堆叠，直至完成整个电路板 的打印；前置喷头用于打印当前层的结构部分，后置喷头用于打印当前层 的电路线路部分；

5)对电路板进行后续处理，获得所需的具有空间立体电路的电路板产 品。

进一步的，当切片层中只包含结构部分时，只有前置喷头工作；当切 片层中同时包含结构部分和电路部分时，前置喷头打印结构部分时后置喷 头停止工作，后置喷头打印电路线路部分时前置喷头停止工作。所述高分 子丝材为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝(ABSP400)、消失模铸造蜡丝 (ICW06wax)、聚烯烃树脂丝、尼龙丝、聚酰胺丝等热塑性材料，高分子 丝材的直径优选为1.2mm～1.8mm。导电橡胶丝材以硅橡胶作为外壳，银镀 铜、银镀铝、银镀镍、纯银中的一种作为外壳内的填充物，导电橡胶丝材 的最大体积电阻率不超过0.008Ω/cm。双喷头采用内置加热棒式黄铜喷嘴， 喷嘴直径为0.2mm～0.4mm，打印的速度为50mm/s～150mm/s。在电路板结 构中需要插入芯片和电源处设计接口，供芯片和电源直接接入。

以下为本发明的具体实施例：

实施例1

1)利用三维建模软件设计如图1所示的长方体状零件产品(属于电路 板)结构模型，以及随结构形状分布的电路线路，其中1为产品结构部分， 2为电路线路部分，3为供芯片插入的接口；

2)利用切片软件将模型分层切片，每层厚度0.1mm，在切片信息中分 别识别各层中的产品结构部分1和电路线路部分2；

3)将每层识别的结构信息和电路线路信息输入至搭载双喷头的FDM终 端，双喷头(内置加热棒式黄铜喷嘴，喷嘴直径范围0.2mm-0.4mm)包括 前置喷头和后置喷头，由控制系统控制工作，前置喷头送料系统中材料为 ABS丝材，直径为1.8mm；后置喷头送料系统中为铜镀银导电橡胶丝材，直 径为1.6mm；

4)从产品结构1的最底层开始打印，此时只有前置喷头工作，在一层 实体截面形状沉积成形完毕，承载成形件的工作台由计算机控制下降一个 层厚的高度，喷头在该已成形截面上沉积第2层截面，第2层截面即可粘接 固化在第1层截面上；当具有一定厚度的底部打印完后，开始打印电路部分 和结构部分1的侧壁，此时前置喷头打印侧壁，后置喷头打印电线线路2， 直到沿高度方向上的电路线路部分打印完毕，后置喷头停止工作，前置喷 头继续完成结构部分的打印，直到整个结构完成；

5)对成形的长方体状零件进行后处理获得所需的具有空间立体电路的 零件产品，后处理包括模型的取出，支撑的剥离、表面处理等过程。

实施例2

1)利用三维建模软件设计如图2所示的半圆柱状零件产品(属于电路 板)结构模型，以及随结构形状分布的电路线路，其中1为模型的结构部分， 2为电路线路部分；

2)利用切片软件将模型分层切片，每层厚度0.1mm，在切片信息中分 别识别各层中的产品结构部分1和电路线路部分2；

3)将每层识别的结构信息和电路线路信息输入至搭载双喷头的FDM终 端，双喷头(内置加热棒式黄铜喷嘴，喷嘴直径范围0.2mm-0.4mm)分为 前置喷头和后置喷头，由控制系统控制工作，前置喷头送料系统中材料为 尼龙丝材，直径为1.6mm；后置喷头送料系统中为银镀铝导电橡胶丝材，直 径为1.6mm；

4)从产品结构1的最底层开始打印，此时只有前置喷头工作，在一层 实体截面形状沉积成形完毕，承载成形件的工作台由计算机控制下降一个 层厚的高度，喷头在该已成形截面上沉积第2层截面，第2层截面即可粘接 固化在第1层截面上；当具有一定厚度的底部打印完后，开始打印电路部分 和结构部分的侧壁，此时前置喷头打印侧壁，后置喷头打印电线线路2，直 到沿高度方向上的电路线路部分打印完毕，后置喷头停止工作，前置喷头 继续完成1的打印，直到整个结构完成；

5)对成形的圆柱状零件进行后处理获得所需的具有空间立体电路的零 件产品，后处理包括模型的取出，支撑的剥离、表面处理等过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。