基于激光烧结提升浆料电路与聚合物基体结合性能的方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光烧结提升浆料电路与聚合物基体结合性能的方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

3D打印技术因其灵活制造的突出优势逐步应用于复杂构件加工，但同时仅成形支撑承载功能的单一结构件无法满足制造业未来发展的需求，特别是在航空航天领域。未来要求将导电线路、电子元器件等与结构融合并实现电子产品一体化制造，使其在保持复杂外形前提下兼具信息感知、信号传输等多重功能,进而实现复杂功能装备的轻量化、小型化。

目前，在3D打印结构电路领域，对成形高结合性能电路的研究比较欠缺，传统3D打印电路成形电路面临脱落、断裂等结合失效问题。相关研究人员也只聚焦于电路成形精度和导电性能，对电路与基体结合性能的研究停留在对基体流程复杂的表面改性手段，限制了高结合性能3D打印结构电路的发展。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术存在的技术缺陷，解决上述技术问题，提出一种基于激光烧结提升浆料电路与聚合物基体结合性能的方法，实现基于3D打印的高结合性能电路制造手段。

本发明具体采用如下技术方案：基于激光烧结提升浆料电路与聚合物基体结合性能的方法，所述方法包括：通过改变激光器的高度，产生光斑直径超过电路线宽的光束进行烧结，在聚合物基体上形成电路的基体包覆层和主体电路。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：激光器通过改变激光离焦量，增加光斑面积，在激光烧结银浆的同时熔化所述聚合物基体，并伴随激光焦点移动，熔化后所述聚合物基体围绕所述主体电路冷却凝固，形成电路的基体包覆层。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：所述激光器产生光束的离焦程度按照喷射打印后浆料主体电路的线宽调整，光斑直径为浆料主体电路线宽的110％～130％。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：所述主体电路在离焦烧结下与所述聚合物基体(3)产生但不限于机械结合。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：所述主体电路的截面尺寸为0.8mm×0.35mm。

作为一种较佳的实施例，所述方法具体包括如下步骤：

步骤SS1：在三维建模软件中建立基体模型，将基体模型导入切片软件中，生成打印路径，在FDM设备上打印聚合物基体；

步骤SS2：将打印好的聚合物基体固定在高粘度的喷射打印平台上，在主控器中输入电路打印路径，导电浆料位于注射器中，三轴移动平台控制喷射阀按照预设路径进行电路喷射打印；

步骤SS3：在光学显微镜下测量打印电路线宽，然后调节三轴移动平台减小激光离焦量增加光斑直径，达到电路线宽的110％～130％；

步骤SS4：激光器按照喷射打印路径烧结电路，保证浆料电路烧结的同时熔化但不烧蚀聚合物基体。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：FDM打印的聚合物基体不需要经过特殊表面处理。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：所述激光器移动烧结过程中，改变激光器的高度使得光斑直径为喷射打印浆料电路线宽的110％～130％。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：激光烧结过程中扫描速度控制在0.3mm/s～1mm/s之间。

本发明所达到的有益效果：本发明设计的高结合性能电路制造方法适用于3D打印领域，通过多材料3D打印工艺成型结构电路，在聚合物基体结构打印的后立即成型电路，实现结构电路一体化制造。该高结合性能电路制造成本低、成形速度快、设备投入小、材料局限性小，为3D打印高结合性能电路提供了一种可行的技术方案。

附图说明

图1是本发明的基于激光烧结提升浆料电路与聚合物基体结合性能的方法的原理示意图；

图2是本发明制作高结合性能电路设备的示意图；

图3是现有常规激光焦点烧结电路和激光离焦烧结的对比示意图；

图4是激光焦点烧结的电路与基体截面SEM图像示意图；

图5是激光离焦烧结的电路与基体截面SEM图像示意图；

图6是改变激光离焦量对烧结电路与基体结合性能的影响示意图；

图7是激光焦点烧结下的电路在基体表面结合示意图；

图8是激光离焦烧结下的电路在基体表面结合示意图；

图9是激光焦点烧结和激光离焦烧结的结合强度横切测试结果。

图中标记的含义：1-激光器，2-光束，3-聚合物基体，4-主体电路，5-基体包覆，6-喷射打印平台，7-主控器，8-注射器，9-喷射阀，10-三轴移动平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：如图1和图2所示，基于激光烧结提升浆料电路与聚合物基体结合性能的方法，所述方法包括：通过改变激光器1的高度，产生光斑直径超过电路线宽的光束2进行烧结，在聚合物基体3上形成电路的基体包覆层5和主体电路4。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：激光器1通过减少激光离焦量，增加光斑面积，在激光烧结银浆的同时熔化所述聚合物基体3，并伴随激光焦点移动，熔化后所述聚合物基体3围绕所述主体电路4冷却凝固，形成基体包覆层5。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：所述激光器1产生光束2的离焦程度按照喷射打印后浆料主体电路4的线宽调整，光斑直径为浆料主体电路4线宽的110％～130％。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：所述主体电路4在离焦烧结下与所述聚合物基体3产生机械结合。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：所述主体电路4的截面尺寸为0.8mm×0.35mm。

作为一种较佳的实施例，所述方法具体包括如下步骤：

步骤SS1：在三维建模软件中建立基体模型，将基体模型导入切片软件中，生成打印路径，在FDM设备上打印聚合物基体3；

步骤SS2：将打印好的聚合物基体3固定在高粘度的喷射打印平台6上，在主控器7中输入电路打印路径，导电浆料位于注射器8中，三轴移动平台10控制喷射阀9按照预设路径进行电路喷射打印；

步骤SS3：在光学显微镜下测量打印电路线宽，然后调节三轴移动平台10减小激光离焦量增加光斑直径，达到电路线宽110％～130％；

步骤SS4：激光器1按照喷射打印路径烧结电路，保证浆料电路烧结的同时熔化但不烧蚀聚合物基体。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：FDM打印的聚合物基体3不需要经过特殊表面处理。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：所述激光器1移动烧结过程中，改变激光器1的高度使得光斑直径为喷射打印浆料电路线宽的110％～130％。

作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：激光烧结过程中扫描速度控制在0.3mm/s～1mm/s之间。

图2为制作高结合性能电路设备的示意图，通过三轴移动平台10按照预设路径喷射打印银浆电路，安装在喷射阀9侧边的激光器1根据打印电路线宽调整离焦量来改变光斑直径以实现离焦烧结。

图3为常规激光焦点烧结电路和激光离焦烧结的对比示意图，焦点烧结电路是将激光焦点光斑集中在喷射打印后的银浆电路上，而离焦烧结则是通过改变离焦量来扩大激光光斑直径，激光光斑直径超过银浆电路线宽并将部分边缘光斑分布在聚合物基体3上。

图4和图5分别为激光焦点烧结和激光离焦烧结的电路与基体截面SEM图像示意图，在激光焦点烧结后的电路SEM图像中观察到了与聚合物基体3结合界面处的大尺寸孔隙，而烧结后电路的上表层相对致密。激光离焦烧结则可以在电路与基体结合界面处观察到烧结后的电路致密层，结合界面处孔隙尺寸要小且包含电路与基体的机械结合特征。

图6为改变激光离焦量对烧结电路与基体结合性能的影响示意图，通过系统实验分析研究了改变激光离焦量对0.3mm/s和0.7mm/s两种激光扫描速度下电路与基体结合性能的影响，结果表明采用激光离焦烧结可以明显改善电路与基体的结合性能。

图7和图8为激光焦点烧结和激光离焦烧结下的电路在聚合物基体表面结合示意图。在激光离焦烧结的基体表面可以观察到基体熔化，离焦烧结形成的基体包覆层增大了基体与电路的接触面积，而焦点烧结仅有电路的底部与基体产生接触。

图9为焦点烧结和离焦烧结的结合强度横切胶带测试结果，焦点烧结在测试后电路出现了大面积脱落，而离焦烧结在测试后基体上的电路几乎不发生脱落。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。