嵌入式电子产品的3D打印方法及3D打印机

摘要

本发明公开了一种嵌入式电子产品的3D打印方法及3D打印机，本发明在打印每层结构材料层完毕后在支撑预留位周围喷印一层离型材料，再打印支撑，当本组结构层打印完成，去除预留孔和槽的支撑，嵌入电子元器件，依次打印该组导电层结构、喷印导电线路和在导电线路之间喷印介电材料，重复直至打印完成最后一组导电层结构，打印结构材料将电子产品封装。本发明在结构材料和支撑材料之间引入离型材料，支撑材料易于去除，一方面避免使用超声碱溶液去除支撑(嵌入式电子产品不允许采用传统的支撑去除工艺)，另一方面避免支撑去除对于已经打印导电电路的影响。有效的解决了嵌入式电子产品制造过程中的支撑去除的难题。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造和电子产品技术领域，具体涉及一种嵌入式电子产品的3D打印方法及3D打印机。

背景技术

嵌入式电子产品(功能性结构电子)是近年伴随着增材制造技术的发展而出现的一种新型的电子产品，在打印物体结构同时，将传感器、控制器、驱动器、天线、电池等电子元件同时嵌入到被打印的结构中，并将一些简单的电路、连接电路等直接打印出来，真正实现功能性结构电子产品一体化制造，材料-结构-器件一体化制造。与传统的电子产品相比，嵌入式电子产品具有一些独特的优势和显著的特点；(1)结构紧凑、轻量化、免组装、可靠性高、制造周期短、生产成本低；(2)多功能性，具有多种功能特性；(3)在某些特殊领域和极端环境例如航空航天、高密闭性产品(嵌入式电子产品整个外壳是一个无缝的整体，具有很好的防尘、防水的功能)等显示出一些特有的优势。此外，嵌入式电子产品还颠覆了传统机电产品和电子产品开发的理念，为许多创新性产品的开发提供了一种全新的思路和解决方案。电子产品3D打印已经成为当前国际上3D打印领域的研究热点之一。

嵌入式电子产品3D打印是一种典型的多材料3D打印技术，打印材料包括结构材料(塑料、聚合物、陶瓷、金属等)、导电材料、介电材料(绝缘材料)等多种材料，打印过程中涉及多种材料频繁的转换，另外，在打印过程中还需要频繁的暂停，实现元器件的嵌入和一些支撑的去除，以及必要的辅助工序(例如导电线路的后处理，诸如加热处理使之导电化等)。但是，现有的3D打印技术无法满足嵌入式电子产品3D打印的多种功能需求。已经严重影响和制约了嵌入式电子产品的发展和广泛应用(诸如软体机器人、可穿戴设备、物联网RFID、3D结构电子等)，迫切需要开发新型嵌入式电子产品3D打印工艺、装备和材料。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种嵌入式电子产品的3D打印方法及3D打印机，本发明结合熔融沉积(FDM)和电动辅助注射沉积技术，在结构材料与支撑材料之间引入一种离型材料，提供一种新型多材料复合3D打印技术和装备，实现结构材料和功能材料一体化打印，有效解决嵌入式电子产品制造过程中支撑去除的难题，实现嵌入式电子产品“材料-结构-器件”一体化制造，尤其是实现具有多层电路结构的电子产品一体化制造，解决了现有3D打印技术无法实现嵌入式电子产品一体化制造的问题。

本发明的一个目的是提供一种嵌入式电子产品的3D打印方法，结合熔融沉积(FDM)和电动辅助注射沉积技术，在结构材料与支撑材料之间引入一种离型材料，有效解决嵌入式电子产品制造过程中支撑去除的难题。

本发明的另一个目的则是提供一种实现该3D打印方法的打印设备，该设备能够在一台设备上同时顺序打印结构材料、离型材料、支撑材料、导电材料和绝缘材料，实现结构材料和功能材料一体化打印，尤其是实现具有多层电路结构的电子产品一体化制造。

本发明的再一个目的则是提供一种上述打印设备的工作方法，以具体实现具有多层电路结构的电子产品一体化制造。通过利用该打印方法或使用该设备制造的嵌入式电子产品，可以利用至软体机器人、可穿戴电子产品、物联网RFID、3D结构电子等多个产品制造领域，具有广泛的应用，且均应属于本发明的保护范围。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种嵌入式电子产品的3D打印方法，在打印每层结构材料层完毕后在支撑预留位周围喷印一层离型材料，再打印支撑，当本组结构层打印完成，去除预留孔和槽的支撑，嵌入电子元器件，依次打印该组导电层结构，喷印导电线路和在导电线路之间喷印介电材料，重复直至打印完成最后一组导电层结构，打印结构材料将电子产品封装。

本发明在结构材料和支撑材料之间引入离型材料，支撑材料易于去除，一方面避免使用超声碱溶液去除支撑(嵌入式电子产品不允许采用传统的支撑去除工艺)，另一方面避免支撑去除对于已经打印导电电路的影响。有效的解决了嵌入式电子产品制造过程中的支撑去除的难题。

一种实现上述打印方法的3D打印机，包括打印床、三维运动机构、喷头组和控制器，控制器控制三维运动机构带动喷头组相对于打印床进行X、Y、Z轴方向的相对运动，同时控制喷头组的相应喷头在设定位置向放置于打印床上的被打印物体依次喷射材料；

所述喷头组包括打印结构材料、支撑材料、离型材料、导电材料和绝缘材料的多个喷头。

优选的，所述打印床包括支撑板、热床铝基板与磁性打印平台，磁性打印平台与热床铝基板可拆卸连接。

优选的，所述磁性打印平台与热床铝基板通过磁性固定块和磁性固定槽实现拆卸与安装。

当然，磁性打印平台与热床铝基板通过其他方式连接，如利用其它连接机构，如磁铁、卡套、锥销等，均属于本领域技术人员根据本发明的构思进行简单变换和组合即可得到的方案，无需付出任何创造性劳动即能想到。

结构材料包括ABS、PLA、PVA、PEEK、尼龙、导电线材等，支撑材料为水溶性材料，如PVA等。离型材料包括聚四氟乙烯乳液、聚二甲基硅氧烷等。导电材料为导电油墨，导电油墨包括导电银浆、纳米银导电墨水、纳米铜导电墨水、液态金属、碳纳米管导电墨水等，绝缘(介电)材料包括矿物绝缘油、液体硅胶、绝缘UV树脂等。

当然，本领域技术人员完全能够在本发明的启示下，根据本领域技术人员的公知常识，寻找到替换材质，这种替换为简单替换，无需付出任何创造性劳动即能想到。

优选的，所述喷头组至少包括两个熔融沉积喷头，其中一个熔融沉积喷头打印结构材料，另一个熔融沉积喷头打印支撑材料。

优选的，所述喷头组还包括若干个微注射器型电动喷头。

优选的，所述电动喷头包括电机、联轴器、传动机构、储料桶和针头，所述电机与传动机构通过联轴器相连接，传动机构置于储料桶，针头置于储料桶底部。

优选的，所述三维运动机构包括X轴工作台、Y轴工作台和Z轴工作台，所述X轴工作台、Y轴工作台和Z轴工作台均为电动滑台，所述Y轴工作台上设置有支撑被打印物体的打印床，所述X轴工作台滑动固定于Z轴工作台上。

当然，其它三维运动机构，如多自由度机械臂、三维旋转工作台、数控三维工作台等形式，均可以使用至本3D打印机，均属于本领域技术人员根据本发明的构思进行简单变换和组合即可得到的方案，无需付出任何创造性劳动即能想到。

上述3D打印机的工作方法，包括以下步骤：

(1)喷头与打印床开始预热至指定温度，三维运动机构带动打印床位移至工作位，控制喷头下降至距离打印床一个层厚的位置；

(2)按照切片信息，开始打印第一组结构层，打印过程中，若需要打印支撑，则在每层打印支撑前，在支撑预留位周边喷印离型材料，再切换回喷头打印支撑，当第一组结构层打印完成后，取下打印床上的磁性打印平台，对所打印的结构层去除预留孔和槽的支撑，嵌入电子元器件，完成后将磁性打印平台安装回打印床，打印第一组导电层结构，喷印导电线路，在导电线路之间喷印介电材料，完成第一组产品打印；

(3)重复以上动作，直到打印完成最后一组导电层结构，将结构层与导电层封装。

打印完毕后，使三维运动机构和打印床恢复初始位置，并进行导电材质，如纳米银墨水等的后续工序。

本发明的有益效果为：

(1)本发明实现了高效、低成本嵌入式电子产品一体化制造，材料、结构与器件的一体化制造。

(2)多材料打印，本发明实现结构材料、支撑材料、离型材料、导电材料、介电材料的一体化打印，无缝集成。

(3)在结构材料和支撑材料之间引入离型材料，支撑材料易于去除，一方面避免使用超声碱溶液去除支撑(嵌入式电子产品不允许采用传统的支撑去除工艺)，另一方面避免支撑去除对于已经打印导电电路的影响。有效的解决了嵌入式电子产品制造过程中的支撑去除的难题。

(4)打印床采用磁性打印平台，通过磁性固定块与磁性固定槽进行定位，定位精度高，便于对打印件进行支撑去除、电子元件嵌入，可方便打印过程中的暂停拆卸与安装定位。

(5)本发明解决了软体机器人、可穿戴电子产品、物联网RFID、3D结构电子等产品一体化制造的难题。

附图说明

图1是本发明实施例1用于制造嵌入式电子产品的3D打印机的结构原理示意图；

图2是本发明实施例1用于制造嵌入式电子产品的3D打印机的结构原理立体图；

图3是本发明实施例1磁性打印床爆炸图示意图；

图4是本发明实施例1微注射器型电动喷头的结构示意图；

图5-1至图5-9为本发明嵌入式电子产品的打印过程示意图；其中，图5-1为产品第一组结构层、支撑与离型层示意图；图5-2为去除支撑后示意图；图5-3为嵌入第一组电子元器件示意图；图5-4为打印第一组导电层示意图；图5-5为打印第二组结构层、支撑与离型层示意图；图5-6为去除支撑示意图；图5-7为嵌入第二组电子元器件示意图；图5-8为打印第二组导电层示意图；图5-9为产品封装示意图；

图6是本发明实施例1基于嵌入式电子产品3D打印的工艺流程图；

图7是本发明实施例2用于制造嵌入式电子产品的3D打印机的结构原理示意图。

其中，1底座，2支架I，3支架II，4Y向工作台，5打印床，501支撑板，502热床铝基板，50201磁性固定槽，503磁性打印平台，50301磁性固定块，6Z向工作台I，7Z向工作台II，8第一喷头，9第二喷头，901电机，902联轴器，903螺杆，904传动螺母，905储料桶，906针头，10第三喷头，11第四喷头，12喷头安装板，13X向工作台，14高压电源，1501结构层，1502离型层，1503支撑结构，1504电子元器件，1505导电层，1506封装层，15两层嵌入式电子产品。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

图1是本发明实施例1用于制造嵌入式电子产品的3D打印机的结构原理示意图，图2是本发明的实施例1用于制造嵌入式电子产品的3D打印机的结构原理示立体图。实施例1用于制造嵌入式电子产品的3D打印机包括：底座1、支架I2、支架II3、Y向工作台4、打印床5、Z向工作台I6、Z向工作台II7、第一喷头8、第二喷头9、第三喷头10、第四喷头11、喷头安装板12、X向工作台13。其中Y向工作台4固定在底座1上，并位于底座1的中央；打印床5由支撑板501、热床铝基板502和磁性打印平台503组成并置于Y向工作台上；Z向工作台I6与Z向工作台II7通过支架I2和支架II3固定在底座1上，等距离位于Y向工作台4位移方向的两侧，并位于Y向工作台4的底端；X向工作台13固定在Z向工作台I6与Z向工作台II7上；第一喷头8、第二喷头9、第三喷头10和第四喷头11通过喷头安装板12固定在X向工作台13上。

所述Y向工作台4，采用精密直线电动滑台，带动打印床5在Y方向上运动。工作行程：200mm，重复定位精度≤0.03mm。

所述Z向工作台I6与Z向工作台II7，采用精密直线电动滑台，通过带动X向工作台13，带动第一喷头8、第二喷头9、第三喷头10和第四喷头11在Z方向上运动。工作行程：200mm，重复定位精度≤0.03mm。

所述X向工作台13，采用精密直线电动滑台，通过喷头安装板12，带动第一喷头8、第二喷头9、第三喷头10和第四喷头11在X方向运动。工作行程：300mm，重复定位精度≤0.03mm。

所述打印床5采用具有磁性可拆装打印平台，打印床由支撑板501、热床铝基板502与磁性打印平台503组成。磁性打印平台503与热床铝基板502通过磁性固定块50301和磁性固定槽50201实现拆卸与安装。

所述第一喷头8为熔融沉积喷头，采用Ultimaker2UM2双喷头，1.75mmABS材料。

所述第二喷头9、第三喷头10和第四喷头11为微注射型电动喷头，所述微注射型电动喷头包括：电机901、联轴器902、螺杆903、传动螺母904、储料桶905、针头906等。所述微注射型电动喷头，出液压力0-1.6MPa，规格5ml。所述针头906内径为0.1-1000μm。

图3是本发明实施例1打印床5的爆炸图，所述打印床5由支撑板501、热床铝基板502和磁性打印平台503组成。所述支撑板501、热床铝基板502开有上下贯通的螺纹孔，通过螺栓连接紧固。所述热床铝基板502上表面具有磁性固定槽50201，磁性打印平台503下表面具有磁性固定块50301，所述热床铝基板502和磁性打印平台503可通过磁性固定槽50201和磁性固定块50301实现拆卸与安装定位。

图4是本发明实施例1第二喷头9的结构示意图，所述第二喷头9由电机901、联轴器902、螺杆903、传动螺母904、储料桶905、针头906组成。所述电机901与螺杆902通过联轴器903相连接，螺杆902置于储料桶905，针头906置于储料桶905底部。所述电机901包括伺服电机、步进电机等。

基于上述实施例1用于制造嵌入式电子产品的3D打印机，制造嵌入式电子产品的工作方法，包括如下步骤：

步骤1：打印初始设置，预处理。第一喷头8与打印床5开始预热至指定温度，Y向工作台4带动打印床5位移至工作位，Z向工作台I6与Z向工作台II7带动X向工作台13下降至第一喷头8距离打印床5一个层厚的位置。

步骤2：打印成型件。第一喷头8按照切片信息，开始打印第一组结构层，打印过程中，若需要打印支撑，则在每层打印支撑前，有第二喷头9在支撑预留位周边喷印离型材料，再切换回第一喷头打印支撑。当第一组结构层打印完成后，打印机自动暂停，由操作人员取下磁性打印平台503，对所打印的结构层去除预留孔和槽的支撑，嵌入电子元器件。完成后将磁性打印平台503安装回打印床5。此时，点击下位机软件中的控制面板“继续”指令，开始打印第一组导电层结构，由第三喷头10喷印导电线路，由第四喷头11在导电线路之间喷印介电材料，完成第一组产品打印，并重复以上动作，直到打印完成最后一组导电层结构，由第一喷头8将结构层与导电层封装。

步骤3：后处理。完成零件打印后，供料关闭，Y向工作台4带动打印床5和打印零件返回原位，Z向工作台I6与Z向工作台II7带动X向工作台13上升至原位，X向工作台13带动第一喷头8、第二喷头9、第三喷头10和第四喷头11返回原位。取下磁性打印平台503与打印零件，将打印零件从磁性打印平台503上取下。

以两层嵌入式电子产品15为例，其打印工艺过程如图5-1至图5-9所示，具体打印制造过程如下：

本实施例嵌入式电子产品结构层打印材料与支撑层为ABS塑料，离型层打印材料为聚四氟乙烯乳液，导电层打印材料为纳米银导电墨水，介电(绝缘)层打印材料为液体硅胶。

选择两层嵌入式电子产品15，根据功能要求设计的电路需要嵌入电子元器件1504，由导电层1505连接各电子元器件。除导电层1505，产品打印的结构还包括结构层1501，离型层1502，支撑结构1503和封装层1506。

基于3D打印该嵌入式电子产品15一体化制造的具体过程：

步骤1：打印初始设置，预处理。第一喷头8与打印床5开始预热至指定温度，Y向工作台4带动打印床5位移至工作位，Z向工作台I6与Z向工作台II7带动X向工作台13下降至第一喷头8距离打印床5一个层厚的位置。

步骤2：打印成型件。第一喷头8按照两层嵌入式电子产品15的切片信息，开始打印第一组产品结构层1501，打印过程中，当需要打印支撑时，则先由第二喷头9在支撑预留位置周边喷印离型材料，再切换回第一喷头8打印支撑，形成离型层1502与支承层1503，如图5-1所示。当第一组产品结构层1501打印完成后，打印机自动暂停，由操作人员取下磁性打印平台503，对所打印的产品结构层1501去除预留孔的支撑结构1503，如图5-2所示，嵌入电子元器件1504，如图5-3所示。完成后将磁性打印平台503安装回打印床5。此时，点击下位机软件中的控制面板“继续”指令，开始打印第一组导电层1505，由第三喷头10喷印导电线路，由第四喷头11在导电线路之间喷印介电材料，完成第一组产品打印，如图5-4所示。重复以上动作，直到打印完成第二组导电层，如图5-8所示，由第一喷头8打印封装层1506，将结构层与导电层封装，如图5-9所示。

步骤3：后处理。完成两层嵌入式电子产品15打印后，供料关闭，Y向工作台4带动打印床5和打印零件返回原位，Z向工作台I6与Z向工作台II7带动X向工作台13上升至原位，X向工作台13带动第一喷头8、第二喷头9、第三喷头10和第四喷头11返回原位。取下磁性打印平台503与两层嵌入式电子产品15，将两层嵌入式电子产品15从磁性打印平台503上取下。

图6是本发明实施例1基于嵌入式电子产品3D打印的工艺流程图。

实施例2

实施例2打印机结构原理示意图如图7所示，采用电喷印技术打印导电线路。将第三喷头10和打印床5接通高压电源14，可实现导电线路更高的精度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。