盧 帥，曹福來，王玉燕

(許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院(工程訓(xùn)練中心)，河南 許昌 461000)

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于汽車電子、醫(yī)療工程、空天行業(yè)、機(jī)械建筑等諸多領(lǐng)域[1].然而，3D 打印技術(shù)應(yīng)用于電子產(chǎn)品及導(dǎo)線電路的制造方面，依然存在著打印機(jī)種類較少、價(jià)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(jié)構(gòu)的同時(shí)，將所需各種功能性電子元器件嵌入成型到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，同時(shí)直接加工成型電路結(jié)構(gòu)、連接線等，實(shí)現(xiàn)功能性結(jié)構(gòu)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(shù)，是復(fù)合3D打印工藝的典型應(yīng)用[3].基于熔融沉積和電噴印的復(fù)合3D打印制造方法，結(jié)合了熔融沉積工藝和電噴印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)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(jié)構(gòu)，連接電路部分由電噴印技術(shù)加工制造，其噴印材料為導(dǎo)電墨水[5-9].

1 熔融沉積與電噴印工藝復(fù)合加工實(shí)現(xiàn)機(jī)理

圖1 功能性結(jié)構(gòu)電子組成框圖

嵌入式電子產(chǎn)品不僅要完成基體結(jié)構(gòu)的成型，還要完成對(duì)于傳感器件、通信模塊、導(dǎo)線等電子元件的加工制造，同時(shí)利用導(dǎo)電墨水完成對(duì)結(jié)構(gòu)電路的直寫加工，實(shí)現(xiàn)功能性結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品一體化制造[10-14].基體結(jié)構(gòu)采用熔融沉積工藝加工，導(dǎo)線電路采用電噴印成型.嵌入式電子結(jié)構(gòu)主要分為3個(gè)部分，其組成框圖如圖1所示.

第一部分基體結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)基底結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型，通過格式轉(zhuǎn)換以后利用FDM 工藝加工外基體結(jié)構(gòu)、連接電子電路所需的溝槽結(jié)構(gòu)以及電子元件嵌入槽等，然后將電子元器件安裝到基底結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置中.

第二部分連接導(dǎo)電線路的加工.通過電噴印工藝加工連接導(dǎo)線電路，實(shí)現(xiàn)電子元件間的互聯(lián).選用銀系導(dǎo)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(xué)性能穩(wěn)定，價(jià)格適中，導(dǎo)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(dǎo)電性能，能夠在室溫條件下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性能穩(wěn)定、高分辨率導(dǎo)線的加工，廣泛應(yīng)用于柔性電路多種電子元器件的制備，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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

2 熔融沉積與電噴印工藝復(fù)合加工成型流程

根據(jù)FDM、電噴印復(fù)合3D打印加工成型的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，結(jié)合功能性結(jié)構(gòu)電子整體制造的加工要求，F(xiàn)DM、電噴印復(fù)合加工技術(shù)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(fù)合加工整體制造成型流程

第一，設(shè)計(jì)分析階段.根據(jù)功能性結(jié)構(gòu)性電子的使用要求，對(duì)基體結(jié)構(gòu)以及連接電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間設(shè)計(jì)，并進(jìn)行電子元器件和連接電路的集成設(shè)計(jì)與優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，對(duì)功能性結(jié)構(gòu)電子進(jìn)行三維建模，通過模型轉(zhuǎn)換生成所需要的STL格式文件.

第二，加工成型階段.對(duì)結(jié)構(gòu)電子的基底結(jié)構(gòu)、安裝電路的溝槽結(jié)構(gòu)以及外形輪廓結(jié)構(gòu)，采用FDM(熔融沉積)工藝加工成型，基體結(jié)構(gòu)加工完成以后，將電子元器件安裝到相應(yīng)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(dǎo)線的成線性能與穩(wěn)定性對(duì)結(jié)構(gòu)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(duì)電噴印工藝電壓對(duì)導(dǎo)線成型形態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，仿真模擬中的流體介質(zhì)為導(dǎo)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(jié)果如圖3所示.

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

實(shí)際試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)電壓對(duì)導(dǎo)線成型形態(tài)的影響與仿真模擬結(jié)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(jìn)行功能性結(jié)構(gòu)電子復(fù)合加工的研究.

第三，性能檢驗(yàn)階段.通過FDM工藝和電噴印工藝完成基體結(jié)構(gòu)以及電路結(jié)構(gòu)的加工封裝以后，需對(duì)功能性結(jié)構(gòu)電子整體性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)未能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的結(jié)構(gòu)需進(jìn)行再次優(yōu)化.

表1 模擬仿真參數(shù)設(shè)置與工作條件

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

3 結(jié)構(gòu)及電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

嵌入式電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是對(duì)滿足功能要求的基體結(jié)構(gòu)、溝槽結(jié)構(gòu)、連接導(dǎo)線電路結(jié)構(gòu)三部分的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)增材過程相比，功能性結(jié)構(gòu)電子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要從以下兩個(gè)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(jié)構(gòu)的前提下，盡量使電子元器件布局在同一層成型結(jié)構(gòu)上；如果電路結(jié)構(gòu)需要分層布置，還要進(jìn)行多層次結(jié)構(gòu)之間的電路設(shè)計(jì).鑒于多層次結(jié)構(gòu)連接導(dǎo)線制造過程的復(fù)雜性，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)的層數(shù)，進(jìn)而減少成型過程中的中斷暫停加工次數(shù)，增強(qiáng)功能性電子產(chǎn)品制造的精度和質(zhì)量.

功能性結(jié)構(gòu)電子的尺寸設(shè)計(jì)，連接導(dǎo)線的嵌入孔槽設(shè)計(jì)是重點(diǎn)和難點(diǎn)，通常要使嵌入的電子元器件與暫停層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性電子加工過程中空間結(jié)構(gòu)的層厚，成型過程中需要在相應(yīng)的位置中斷暫停，為保證結(jié)構(gòu)的整體和完整性，提高成型的精度和質(zhì)量，盡量使中斷位置的高度與層厚成整數(shù)倍關(guān)系.

功能性結(jié)構(gòu)電子的制造是由熔融沉積3D打印機(jī)和電噴印3D打印機(jī)共同完成的，零部件會(huì)在兩者之間進(jìn)行拆卸和裝配，因此，為保證裝配精度要求，通過設(shè)計(jì)安裝輔助定位裝置，才能使結(jié)構(gòu)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(dǎo)電線路路徑優(yōu)化

導(dǎo)電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)功能性結(jié)構(gòu)電子的功能實(shí)現(xiàn)及性能穩(wěn)定性具有重要影響[15-18]，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖和對(duì)電路布線的集成優(yōu)化，確定功能性結(jié)構(gòu)電的電路結(jié)構(gòu).在滿足功能性電子使用要求的的尺寸限制內(nèi)，根據(jù)各電子元件的電學(xué)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?yàn)橄啾容^傳統(tǒng)材料零件，電子元器件和導(dǎo)線都非常敏感，避免產(chǎn)生干涉.在進(jìn)行電子元件的空間位置布局時(shí)，盡量使導(dǎo)電線路豎直分布；另外，應(yīng)盡量避免長(zhǎng)距離的連接電路，降低能耗.

4 結(jié)語

根據(jù)熔融沉積造型、電噴印復(fù)合3D打印技術(shù)的機(jī)理，分析了一種復(fù)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(fù)合的功能性結(jié)構(gòu)電子的工藝過程.根據(jù)功能性結(jié)構(gòu)電子整體成型制造的要求，確立了基體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電電路的成型手段，結(jié)合實(shí)際科研經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電線路的優(yōu)化路徑.