本發(fā)明屬于增材制造和電子產(chǎn)品技術領域，具體涉及一種嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印方法及3D打印機。

背景技術：

嵌入式電子產(chǎn)品(功能性結構電子)是近年伴隨著增材制造技術的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型的電子產(chǎn)品，在打印物體結構同時，將傳感器、控制器、驅動器、天線、電池等電子元件同時嵌入到被打印的結構中，并將一些簡單的電路、連接電路等直接打印出來，真正實現(xiàn)功能性結構電子產(chǎn)品一體化制造，材料-結構-器件一體化制造。與傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品相比，嵌入式電子產(chǎn)品具有一些獨特的優(yōu)勢和顯著的特點；(1)結構緊湊、輕量化、免組裝、可靠性高、制造周期短、生產(chǎn)成本低；(2)多功能性，具有多種功能特性；(3)在某些特殊領域和極端環(huán)境例如航空航天、高密閉性產(chǎn)品(嵌入式電子產(chǎn)品整個外殼是一個無縫的整體，具有很好的防塵、防水的功能)等顯示出一些特有的優(yōu)勢。此外，嵌入式電子產(chǎn)品還顛覆了傳統(tǒng)機電產(chǎn)品和電子產(chǎn)品開發(fā)的理念，為許多創(chuàng)新性產(chǎn)品的開發(fā)提供了一種全新的思路和解決方案。電子產(chǎn)品3D打印已經(jīng)成為當前國際上3D打印領域的研究熱點之一。

嵌入式電子產(chǎn)品3D打印是一種典型的多材料3D打印技術，打印材料包括結構材料(塑料、聚合物、陶瓷、金屬等)、導電材料、介電材料(絕緣材料)等多種材料，打印過程中涉及多種材料頻繁的轉換，另外，在打印過程中還需要頻繁的暫停，實現(xiàn)元器件的嵌入和一些支撐的去除，以及必要的輔助工序(例如導電線路的后處理，諸如加熱處理使之導電化等)。但是，現(xiàn)有的3D打印技術無法滿足嵌入式電子產(chǎn)品3D打印的多種功能需求。已經(jīng)嚴重影響和制約了嵌入式電子產(chǎn)品的發(fā)展和廣泛應用(諸如軟體機器人、可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)RFID、3D結構電子等)，迫切需要開發(fā)新型嵌入式電子產(chǎn)品3D打印工藝、裝備和材料。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印方法及3D打印機，本發(fā)明結合熔融沉積(FDM)和電動輔助注射沉積技術，在結構材料與支撐材料之間引入一種離型材料，提供一種新型多材料復合3D打印技術和裝備，實現(xiàn)結構材料和功能材料一體化打印，有效解決嵌入式電子產(chǎn)品制造過程中支撐去除的難題，實現(xiàn)嵌入式電子產(chǎn)品“材料-結構-器件”一體化制造，尤其是實現(xiàn)具有多層電路結構的電子產(chǎn)品一體化制造，解決了現(xiàn)有3D打印技術無法實現(xiàn)嵌入式電子產(chǎn)品一體化制造的問題。

本發(fā)明的一個目的是提供一種嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印方法，結合熔融沉積(FDM)和電動輔助注射沉積技術，在結構材料與支撐材料之間引入一種離型材料，有效解決嵌入式電子產(chǎn)品制造過程中支撐去除的難題。

本發(fā)明的另一個目的則是提供一種實現(xiàn)該3D打印方法的打印設備，該設備能夠在一臺設備上同時順序打印結構材料、離型材料、支撐材料、導電材料和絕緣材料，實現(xiàn)結構材料和功能材料一體化打印，尤其是實現(xiàn)具有多層電路結構的電子產(chǎn)品一體化制造。

本發(fā)明的再一個目的則是提供一種上述打印設備的工作方法，以具體實現(xiàn)具有多層電路結構的電子產(chǎn)品一體化制造。通過利用該打印方法或使用該設備制造的嵌入式電子產(chǎn)品，可以利用至軟體機器人、可穿戴電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)RFID、3D結構電子等多個產(chǎn)品制造領域，具有廣泛的應用，且均應屬于本發(fā)明的保護范圍。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印方法，在打印每層結構材料層完畢后在支撐預留位周圍噴印一層離型材料，再打印支撐，當本組結構層打印完成，去除預留孔和槽的支撐，嵌入電子元器件，依次打印該組導電層結構，噴印導電線路和在導電線路之間噴印介電材料，重復直至打印完成最后一組導電層結構，打印結構材料將電子產(chǎn)品封裝。

本發(fā)明在結構材料和支撐材料之間引入離型材料，支撐材料易于去除，一方面避免使用超聲堿溶液去除支撐(嵌入式電子產(chǎn)品不允許采用傳統(tǒng)的支撐去除工藝)，另一方面避免支撐去除對于已經(jīng)打印導電電路的影響。有效的解決了嵌入式電子產(chǎn)品制造過程中的支撐去除的難題。

一種實現(xiàn)上述打印方法的3D打印機，包括打印床、三維運動機構、噴頭組和控制器，控制器控制三維運動機構帶動噴頭組相對于打印床進行X、Y、Z軸方向的相對運動，同時控制噴頭組的相應噴頭在設定位置向放置于打印床上的被打印物體依次噴射材料；

所述噴頭組包括打印結構材料、支撐材料、離型材料、導電材料和絕緣材料的多個噴頭。

優(yōu)選的，所述打印床包括支撐板、熱床鋁基板與磁性打印平臺，磁性打印平臺與熱床鋁基板可拆卸連接。

優(yōu)選的，所述磁性打印平臺與熱床鋁基板通過磁性固定塊和磁性固定槽實現(xiàn)拆卸與安裝。

當然，磁性打印平臺與熱床鋁基板通過其他方式連接，如利用其它連接機構，如磁鐵、卡套、錐銷等，均屬于本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的構思進行簡單變換和組合即可得到的方案，無需付出任何創(chuàng)造性勞動即能想到。

結構材料包括ABS、PLA、PVA、PEEK、尼龍、導電線材等，支撐材料為水溶性材料，如PVA等。離型材料包括聚四氟乙烯乳液、聚二甲基硅氧烷等。導電材料為導電油墨，導電油墨包括導電銀漿、納米銀導電墨水、納米銅導電墨水、液態(tài)金屬、碳納米管導電墨水等，絕緣(介電)材料包括礦物絕緣油、液體硅膠、絕緣UV樹脂等。

當然，本領域技術人員完全能夠在本發(fā)明的啟示下，根據(jù)本領域技術人員的公知常識，尋找到替換材質，這種替換為簡單替換，無需付出任何創(chuàng)造性勞動即能想到。

優(yōu)選的，所述噴頭組至少包括兩個熔融沉積噴頭，其中一個熔融沉積噴頭打印結構材料，另一個熔融沉積噴頭打印支撐材料。

優(yōu)選的，所述噴頭組還包括若干個微注射器型電動噴頭。

優(yōu)選的，所述電動噴頭包括電機、聯(lián)軸器、傳動機構、儲料桶和針頭，所述電機與傳動機構通過聯(lián)軸器相連接，傳動機構置于儲料桶，針頭置于儲料桶底部。

優(yōu)選的，所述三維運動機構包括X軸工作臺、Y軸工作臺和Z軸工作臺，所述X軸工作臺、Y軸工作臺和Z軸工作臺均為電動滑臺，所述Y軸工作臺上設置有支撐被打印物體的打印床，所述X軸工作臺滑動固定于Z軸工作臺上。

當然，其它三維運動機構，如多自由度機械臂、三維旋轉工作臺、數(shù)控三維工作臺等形式，均可以使用至本3D打印機，均屬于本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的構思進行簡單變換和組合即可得到的方案，無需付出任何創(chuàng)造性勞動即能想到。

上述3D打印機的工作方法，包括以下步驟：

(1)噴頭與打印床開始預熱至指定溫度，三維運動機構帶動打印床位移至工作位，控制噴頭下降至距離打印床一個層厚的位置；

(2)按照切片信息，開始打印第一組結構層，打印過程中，若需要打印支撐，則在每層打印支撐前，在支撐預留位周邊噴印離型材料，再切換回噴頭打印支撐，當?shù)谝唤M結構層打印完成后，取下打印床上的磁性打印平臺，對所打印的結構層去除預留孔和槽的支撐，嵌入電子元器件，完成后將磁性打印平臺安裝回打印床，打印第一組導電層結構，噴印導電線路，在導電線路之間噴印介電材料，完成第一組產(chǎn)品打??；

(3)重復以上動作，直到打印完成最后一組導電層結構，將結構層與導電層封裝。

打印完畢后，使三維運動機構和打印床恢復初始位置，并進行導電材質，如納米銀墨水等的后續(xù)工序。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明實現(xiàn)了高效、低成本嵌入式電子產(chǎn)品一體化制造，材料、結構與器件的一體化制造。

(2)多材料打印，本發(fā)明實現(xiàn)結構材料、支撐材料、離型材料、導電材料、介電材料的一體化打印，無縫集成。

(3)在結構材料和支撐材料之間引入離型材料，支撐材料易于去除，一方面避免使用超聲堿溶液去除支撐(嵌入式電子產(chǎn)品不允許采用傳統(tǒng)的支撐去除工藝)，另一方面避免支撐去除對于已經(jīng)打印導電電路的影響。有效的解決了嵌入式電子產(chǎn)品制造過程中的支撐去除的難題。

(4)打印床采用磁性打印平臺，通過磁性固定塊與磁性固定槽進行定位，定位精度高，便于對打印件進行支撐去除、電子元件嵌入，可方便打印過程中的暫停拆卸與安裝定位。

(5)本發(fā)明解決了軟體機器人、可穿戴電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)RFID、3D結構電子等產(chǎn)品一體化制造的難題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1用于制造嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印機的結構原理示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例1用于制造嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印機的結構原理立體圖；

圖3是本發(fā)明實施例1磁性打印床爆炸圖示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例1微注射器型電動噴頭的結構示意圖；

圖5-1至圖5-9為本發(fā)明嵌入式電子產(chǎn)品的打印過程示意圖；其中，圖5-1為產(chǎn)品第一組結構層、支撐與離型層示意圖；圖5-2為去除支撐后示意圖；圖5-3為嵌入第一組電子元器件示意圖；圖5-4為打印第一組導電層示意圖；圖5-5為打印第二組結構層、支撐與離型層示意圖；圖5-6為去除支撐示意圖；圖5-7為嵌入第二組電子元器件示意圖；圖5-8為打印第二組導電層示意圖；圖5-9為產(chǎn)品封裝示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例1基于嵌入式電子產(chǎn)品3D打印的工藝流程圖；

圖7是本發(fā)明實施例2用于制造嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印機的結構原理示意圖。

其中，1底座，2支架I，3支架II，4Y向工作臺，5打印床，501支撐板，502熱床鋁基板，50201磁性固定槽，503磁性打印平臺，50301磁性固定塊，6Z向工作臺I，7Z向工作臺II，8第一噴頭，9第二噴頭，901電機，902聯(lián)軸器，903螺桿，904傳動螺母，905儲料桶，906針頭，10第三噴頭，11第四噴頭，12噴頭安裝板，13X向工作臺，14高壓電源，1501結構層，1502離型層，1503支撐結構，1504電子元器件，1505導電層，1506封裝層，15兩層嵌入式電子產(chǎn)品。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1

圖1是本發(fā)明實施例1用于制造嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印機的結構原理示意圖，圖2是本發(fā)明的實施例1用于制造嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印機的結構原理示立體圖。實施例1用于制造嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印機包括：底座1、支架I2、支架II3、Y向工作臺4、打印床5、Z向工作臺I6、Z向工作臺II7、第一噴頭8、第二噴頭9、第三噴頭10、第四噴頭11、噴頭安裝板12、X向工作臺13。其中Y向工作臺4固定在底座1上，并位于底座1的中央；打印床5由支撐板501、熱床鋁基板502和磁性打印平臺503組成并置于Y向工作臺上；Z向工作臺I6與Z向工作臺II7通過支架I2和支架II3固定在底座1上，等距離位于Y向工作臺4位移方向的兩側，并位于Y向工作臺4的底端；X向工作臺13固定在Z向工作臺I6與Z向工作臺II7上；第一噴頭8、第二噴頭9、第三噴頭10和第四噴頭11通過噴頭安裝板12固定在X向工作臺13上。

所述Y向工作臺4，采用精密直線電動滑臺，帶動打印床5在Y方向上運動。工作行程：200mm，重復定位精度≤0.03mm。

所述Z向工作臺I6與Z向工作臺II7，采用精密直線電動滑臺，通過帶動X向工作臺13，帶動第一噴頭8、第二噴頭9、第三噴頭10和第四噴頭11在Z方向上運動。工作行程：200mm，重復定位精度≤0.03mm。

所述X向工作臺13，采用精密直線電動滑臺，通過噴頭安裝板12，帶動第一噴頭8、第二噴頭9、第三噴頭10和第四噴頭11在X方向運動。工作行程：300mm，重復定位精度≤0.03mm。

所述打印床5采用具有磁性可拆裝打印平臺，打印床由支撐板501、熱床鋁基板502與磁性打印平臺503組成。磁性打印平臺503與熱床鋁基板502通過磁性固定塊50301和磁性固定槽50201實現(xiàn)拆卸與安裝。

所述第一噴頭8為熔融沉積噴頭，采用Ultimaker2UM2雙噴頭，1.75mmABS材料。

所述第二噴頭9、第三噴頭10和第四噴頭11為微注射型電動噴頭，所述微注射型電動噴頭包括：電機901、聯(lián)軸器902、螺桿903、傳動螺母904、儲料桶905、針頭906等。所述微注射型電動噴頭，出液壓力0-1.6MPa，規(guī)格5ml。所述針頭906內(nèi)徑為0.1-1000μm。

圖3是本發(fā)明實施例1打印床5的爆炸圖，所述打印床5由支撐板501、熱床鋁基板502和磁性打印平臺503組成。所述支撐板501、熱床鋁基板502開有上下貫通的螺紋孔，通過螺栓連接緊固。所述熱床鋁基板502上表面具有磁性固定槽50201，磁性打印平臺503下表面具有磁性固定塊50301，所述熱床鋁基板502和磁性打印平臺503可通過磁性固定槽50201和磁性固定塊50301實現(xiàn)拆卸與安裝定位。

圖4是本發(fā)明實施例1第二噴頭9的結構示意圖，所述第二噴頭9由電機901、聯(lián)軸器902、螺桿903、傳動螺母904、儲料桶905、針頭906組成。所述電機901與螺桿902通過聯(lián)軸器903相連接，螺桿902置于儲料桶905，針頭906置于儲料桶905底部。所述電機901包括伺服電機、步進電機等。

基于上述實施例1用于制造嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印機，制造嵌入式電子產(chǎn)品的工作方法，包括如下步驟：

步驟1：打印初始設置，預處理。第一噴頭8與打印床5開始預熱至指定溫度，Y向工作臺4帶動打印床5位移至工作位，Z向工作臺I6與Z向工作臺II7帶動X向工作臺13下降至第一噴頭8距離打印床5一個層厚的位置。

步驟2：打印成型件。第一噴頭8按照切片信息，開始打印第一組結構層，打印過程中，若需要打印支撐，則在每層打印支撐前，有第二噴頭9在支撐預留位周邊噴印離型材料，再切換回第一噴頭打印支撐。當?shù)谝唤M結構層打印完成后，打印機自動暫停，由操作人員取下磁性打印平臺503，對所打印的結構層去除預留孔和槽的支撐，嵌入電子元器件。完成后將磁性打印平臺503安裝回打印床5。此時，點擊下位機軟件中的控制面板“繼續(xù)”指令，開始打印第一組導電層結構，由第三噴頭10噴印導電線路，由第四噴頭11在導電線路之間噴印介電材料，完成第一組產(chǎn)品打印，并重復以上動作，直到打印完成最后一組導電層結構，由第一噴頭8將結構層與導電層封裝。

步驟3：后處理。完成零件打印后，供料關閉，Y向工作臺4帶動打印床5和打印零件返回原位，Z向工作臺I6與Z向工作臺II7帶動X向工作臺13上升至原位，X向工作臺13帶動第一噴頭8、第二噴頭9、第三噴頭10和第四噴頭11返回原位。取下磁性打印平臺503與打印零件，將打印零件從磁性打印平臺503上取下。

以兩層嵌入式電子產(chǎn)品15為例，其打印工藝過程如圖5-1至圖5-9所示，具體打印制造過程如下：

本實施例嵌入式電子產(chǎn)品結構層打印材料與支撐層為ABS塑料，離型層打印材料為聚四氟乙烯乳液，導電層打印材料為納米銀導電墨水，介電(絕緣)層打印材料為液體硅膠。

選擇兩層嵌入式電子產(chǎn)品15，根據(jù)功能要求設計的電路需要嵌入電子元器件1504，由導電層1505連接各電子元器件。除導電層1505，產(chǎn)品打印的結構還包括結構層1501，離型層1502，支撐結構1503和封裝層1506。

基于3D打印該嵌入式電子產(chǎn)品15一體化制造的具體過程：

步驟1：打印初始設置，預處理。第一噴頭8與打印床5開始預熱至指定溫度，Y向工作臺4帶動打印床5位移至工作位，Z向工作臺I6與Z向工作臺II7帶動X向工作臺13下降至第一噴頭8距離打印床5一個層厚的位置。

步驟2：打印成型件。第一噴頭8按照兩層嵌入式電子產(chǎn)品15的切片信息，開始打印第一組產(chǎn)品結構層1501，打印過程中，當需要打印支撐時，則先由第二噴頭9在支撐預留位置周邊噴印離型材料，再切換回第一噴頭8打印支撐，形成離型層1502與支承層1503，如圖5-1所示。當?shù)谝唤M產(chǎn)品結構層1501打印完成后，打印機自動暫停，由操作人員取下磁性打印平臺503，對所打印的產(chǎn)品結構層1501去除預留孔的支撐結構1503，如圖5-2所示，嵌入電子元器件1504，如圖5-3所示。完成后將磁性打印平臺503安裝回打印床5。此時，點擊下位機軟件中的控制面板“繼續(xù)”指令，開始打印第一組導電層1505，由第三噴頭10噴印導電線路，由第四噴頭11在導電線路之間噴印介電材料，完成第一組產(chǎn)品打印，如圖5-4所示。重復以上動作，直到打印完成第二組導電層，如圖5-8所示，由第一噴頭8打印封裝層1506，將結構層與導電層封裝，如圖5-9所示。

步驟3：后處理。完成兩層嵌入式電子產(chǎn)品15打印后，供料關閉，Y向工作臺4帶動打印床5和打印零件返回原位，Z向工作臺I6與Z向工作臺II7帶動X向工作臺13上升至原位，X向工作臺13帶動第一噴頭8、第二噴頭9、第三噴頭10和第四噴頭11返回原位。取下磁性打印平臺503與兩層嵌入式電子產(chǎn)品15，將兩層嵌入式電子產(chǎn)品15從磁性打印平臺503上取下。

圖6是本發(fā)明實施例1基于嵌入式電子產(chǎn)品3D打印的工藝流程圖。

實施例2

實施例2打印機結構原理示意圖如圖7所示，采用電噴印技術打印導電線路。將第三噴頭10和打印床5接通高壓電源14，可實現(xiàn)導電線路更高的精度。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。