本發(fā)明屬于增材制造和電子產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種嵌入式電子產(chǎn)品3D打印方法。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了幾乎任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，目前已經(jīng)被應(yīng)用于航空航天、組織工程、生物醫(yī)療、汽車、家電、新材料、新能源、機(jī)器人、建筑等諸多領(lǐng)域，顯示了廣闊的應(yīng)用前景。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，近年3D打印已經(jīng)開始被應(yīng)用于電子行業(yè)，為柔性電子、可穿戴設(shè)備、智能傳感、嵌入式電子產(chǎn)品、功能性結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)RFID、光電子、智能結(jié)構(gòu)等新一代電子產(chǎn)品的開發(fā)提供一種全新的制造方法，尤其是為嵌入式電子產(chǎn)品開發(fā)和一體化制造提供了一種全新的解決方案。

嵌入式電子產(chǎn)品(功能性結(jié)構(gòu)電子)是近年伴隨增材制造技術(shù)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(jié)構(gòu)同時，將傳感器、控制器、驅(qū)動器、天線、電池等電子元件同時嵌入到被打印的結(jié)構(gòu)中，并將一些簡單的電路、連接電路等直接打印出來，真正實(shí)現(xiàn)功能性結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品一體化制造。與傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品相比，嵌入式電子產(chǎn)品展示出一些獨(dú)特的優(yōu)勢和顯著的特點(diǎn)；(1)結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化、免組裝、可靠性高、制造周期短、生產(chǎn)成本低；(2)尤其是在某些特殊領(lǐng)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(jī)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(dāng)前國際上3D打印領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

嵌入式電子產(chǎn)品3D打印是一種典型的多材料、多尺度3D打印技術(shù)，打印材料包括結(jié)構(gòu)材料(塑料、聚合物、陶瓷、金屬等)、導(dǎo)電材料、介電材料(絕緣材料)等多種材料，打印圖形的分辨率高，打印的特征尺寸涉及宏/微跨尺度，尤其是打印一些電子元件和連接電路還涉及亞微尺度甚至納尺度圖形打印。但是，目前一方面能夠真正實(shí)現(xiàn)嵌入式電子產(chǎn)品制造的3D打印機(jī)種類很少，另外，已開發(fā)的電子產(chǎn)品3D打印設(shè)備非常昂貴，尤其是打印的分辨率較低(難以實(shí)現(xiàn)亞微尺度/納尺度圖形的打印)，可供打印的材料種類有限，不能滿足許多嵌入式電子產(chǎn)品的實(shí)際工程需求。已經(jīng)嚴(yán)重影響和制約了嵌入式電子產(chǎn)品的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決現(xiàn)有3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)嵌入式電子產(chǎn)品一體化制造方面存在的技術(shù)問題，本發(fā)明結(jié)合熔融沉積(FDM)和電噴印技術(shù)，提供一種嵌入式電子產(chǎn)品3D打印方法，實(shí)現(xiàn)高效、低成本、高分辨率嵌入式電子產(chǎn)品一體化制造，為材料、結(jié)構(gòu)與器件的一體化制造提供一種新型解決方案。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種嵌入式電子產(chǎn)品3D打印方法，包括以下步驟：

步驟1：采用熔融沉積3D打印出電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)層和結(jié)構(gòu)層；

步驟2：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的暫停位置，暫停熔融沉積3D打印，將電子元件嵌入到結(jié)構(gòu)層的設(shè)定位置；

步驟3：采用電噴印3D打印出電子元件間的連接電路；

步驟4：電路完全固化后，若電子產(chǎn)品為單層結(jié)構(gòu)，則直接轉(zhuǎn)到步驟5；若電子產(chǎn)品為多層結(jié)構(gòu)，則重復(fù)步驟1-3，直至完成最后一層結(jié)構(gòu)打??；

步驟5：采用熔融沉積3D打印出電子產(chǎn)品頂層結(jié)構(gòu)，以及完成電子產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)的打印。

首先采用熔融沉積3D打印制造電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)；利用熔融沉積3D打印中斷暫停功能，暫停打印時在結(jié)構(gòu)層內(nèi)嵌入電子元件(例如傳感器、控制器、驅(qū)動器、天線、電池等)；以導(dǎo)電材料為打印材料，使用電噴印3D打印制造電子元件間的連接電路。采用熔融沉積3D打印和電噴印3D打印技術(shù)結(jié)合制造嵌入式電子產(chǎn)品，打印過程方便快捷高效。

所述步驟3中，打印完連接電路后，還可以在結(jié)構(gòu)層內(nèi)嵌入電子元器件。在結(jié)構(gòu)層內(nèi)可以嵌入電阻、電感、電容、天線等電子元器件，使嵌入式電子產(chǎn)品更能滿足后續(xù)的工作需求。

所述步驟1中，打印結(jié)構(gòu)層時，在結(jié)構(gòu)層中打印出用于嵌入電子元件的預(yù)留孔槽，在孔槽之間打印出連接電路的預(yù)留溝槽。在結(jié)構(gòu)層上打印預(yù)留孔槽，可以在后續(xù)電子元件嵌入時起到定位作用，嵌入更加方便快速；在結(jié)構(gòu)層上打印預(yù)留溝槽，在后續(xù)連接電路打印時能起到定位作用，使連接電路的打印位置更加精確，另外還可以提高打印電路圖形的分辨率。

所述步驟2中，電子元件嵌入結(jié)構(gòu)層中的預(yù)留孔槽內(nèi)。預(yù)留孔槽為電子元件嵌入的設(shè)定位置，在電子元件嵌入時可快速找準(zhǔn)嵌入位置。

所述預(yù)留孔槽的深度與電子元件的高度相等。如此設(shè)置，可以保證電子元件很好的嵌合在結(jié)構(gòu)層內(nèi)，保證熔融沉積3D打印暫停后續(xù)繼續(xù)打印時在預(yù)留孔槽上方繼續(xù)打印。

所述步驟3中，以導(dǎo)電材料為打印材料，在結(jié)構(gòu)層的預(yù)留溝槽內(nèi)打印出連接電路。在 預(yù)留溝槽內(nèi)以導(dǎo)電材料打印連接電路，保證將兩側(cè)電子元件很好的連接。此外，還可以提高打印電路圖形的分辨率。

若結(jié)構(gòu)層采用導(dǎo)電材料為打印材料，在所述步驟4中，每層結(jié)構(gòu)打印完成后，在結(jié)構(gòu)上打印絕緣層。在能夠?qū)щ姷慕Y(jié)構(gòu)上打印絕緣層，保證嵌入式電子產(chǎn)品在使用中的功能要求，以及提高嵌入式電子產(chǎn)品的可靠性和安全性。

優(yōu)選的，所述步驟1中，在電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)層或結(jié)構(gòu)層設(shè)定位置打印出定位結(jié)構(gòu)。用于電子產(chǎn)品打印過程中，更換工位或者重新放回原來位置時的精確定位。

采用電噴印3D打印時，打印噴嘴和放置電子產(chǎn)品的工作臺之間的電源的輸出脈沖電壓為0.2-5KV，輸出脈沖頻率10Hz-1000Hz。

采用熔融沉積3D打印時，打印材料的溫度低于步驟3中采用的導(dǎo)電材料的熔點(diǎn)。避免打印完的導(dǎo)電材料因后續(xù)打印加工過程而熔化，影響整個電子產(chǎn)品的打印。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高效、低成本、高分辨率嵌入式電子產(chǎn)品一體化制造，材料、結(jié)構(gòu)與器件的一體化制造。

本發(fā)明電路的打印采用電噴印3D打印工藝，打印分辨率高，分辨率不受噴嘴直徑的限制，能在噴嘴不易堵塞的前提下，實(shí)現(xiàn)亞微米、納米尺度分辨率復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)的制造；而且可用于電噴印的材料范圍非常廣泛，包括從絕緣聚合物到導(dǎo)電聚合物，從懸濁液到單壁碳納米管溶液，從金屬材料、無機(jī)功能材料到生物材料等。其顯著的優(yōu)勢是兼容性好(適用材料廣泛，以及高粘度液體)、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對于高粘度液體能夠打印出比噴頭結(jié)構(gòu)尺寸低一個數(shù)量級的圖案；解決了目前電子產(chǎn)品3D打印分辨率低和可供打印材料種類有限兩個難題。

本發(fā)明電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)打印采用熔融沉積3D打印工藝，具有材料利用率高，材料成本低，可選材料種類多，設(shè)備操作簡單，設(shè)備成本低，軟硬件開源性高、普及率廣等優(yōu)勢；而且與打印電路兼容性高。

本發(fā)明可供打印材料種類多、電路打印分辨率高、操作簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，充分利用已有的3D打印設(shè)備，無需專用電子產(chǎn)品3D打印機(jī)。

本發(fā)明能夠創(chuàng)建采用目前制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的新型電子產(chǎn)品。

附圖說明

圖1a-圖1d為本發(fā)明嵌入式電子產(chǎn)品的打印過程示意圖；其中，圖1a為打印為結(jié)構(gòu)層和孔槽、溝槽的示意圖；圖1b為嵌入電子元件后的示意圖；圖1c為打印完連接電路的示意圖；圖1d為打印完頂層結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2為本發(fā)明基于嵌入式電子產(chǎn)品3D打印的工藝流程圖；

圖中，1打印的結(jié)構(gòu)，101孔槽，102孔槽，103溝槽，2電子元件，3電子元件，4連接電路，5頂層結(jié)構(gòu)，8電子產(chǎn)品。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖2所示，嵌入式電子產(chǎn)品的3D打印方法，由以下步驟過程組成：

步驟1：根據(jù)電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、嵌入電子元件位置、電子元件之間連接電路的功能和實(shí)際要求進(jìn)行一體化集成設(shè)計和優(yōu)化，將設(shè)計結(jié)果輸出熔融沉積3D打印機(jī)要求的文件格式；

步驟2：采用熔融沉積3D打印機(jī)制造電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)(包括基本功能結(jié)構(gòu)、嵌入電子元件預(yù)留孔槽結(jié)構(gòu)，以及連接電子元件連接電路預(yù)留的溝槽結(jié)構(gòu)等)；

步驟3：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的暫停位置(第幾層)，中斷暫停3D打印機(jī)，從FDM 3D打印機(jī)工作臺上卸下被打印結(jié)構(gòu)，將需要嵌入的電子元件放置到預(yù)先設(shè)計位置(打印出的孔槽結(jié)構(gòu))中；

步驟4：以導(dǎo)電油墨為打印材料，使用電噴印3D打印制造連接電路，并嵌入一些簡單電子元器件(如電阻、電感、電容、天線等)；

步驟5：電路后處理完全固化后，將被打印電子產(chǎn)品重新放置到FDM 3D打印機(jī)暫停前從工作臺卸下的位置。如果被打印件是多層結(jié)構(gòu)，進(jìn)行第二層結(jié)構(gòu)打印。重復(fù)執(zhí)行以上步驟2至4，直至完成最后一層結(jié)構(gòu)、電子元件的嵌入和連接電路的打印。如果不是多層結(jié)構(gòu)，直接轉(zhuǎn)到步驟6。

步驟6：完成剩余其它結(jié)構(gòu)(頂層)的打印以及最后電子產(chǎn)品的封裝。

熔融沉積3D打印可供打印的材料包括各種塑料(ABS、PLA、PC、PET等)、PEEK、尼龍、碳纖維材料、蠟、金屬、介電材料等。

電噴印3D打印使用的導(dǎo)電墨水包括導(dǎo)電漿料、納米銀墨水、銅基3D打印導(dǎo)電墨水、Nano Dimension公司開發(fā)AgCite墨水、液態(tài)金屬、UV導(dǎo)電油墨、其它納米導(dǎo)電材料懸浮液。

結(jié)構(gòu)材料如果是導(dǎo)電材料，每層結(jié)構(gòu)打印完成后，還需要進(jìn)行絕緣層材料(介電材料)的打印。

連接電路導(dǎo)電材料是一些諸如納米銀墨水、UV導(dǎo)電油墨等，每層電路打印(步驟4)完成后，需要進(jìn)行燒結(jié)/固化后處理等工序，提高電路的導(dǎo)電性能。

在被打印電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要設(shè)計輔助的定位結(jié)構(gòu)，并打印出來，用于被打印產(chǎn)品在熔融沉積3D打印機(jī)和電噴印3D打印機(jī)工作臺上卸下和重新放回原來暫停位置時的 精確定位。

電噴印3D打印噴嘴和工作臺之間的電源的輸出脈沖電壓為0.2-5KV，輸出脈沖頻率10Hz-1000Hz，打印噴頭的進(jìn)氣壓力為0.1-1bar。

熔融沉積3D打印的沉積到被打印結(jié)構(gòu)材料上的溫度不能高于所匹配導(dǎo)電材料的熔點(diǎn)。

步驟3中，熔融沉積3D打印完成每層結(jié)構(gòu)的制造后，從FDM 3D打印機(jī)工作臺上卸下被打印結(jié)構(gòu)，放置被嵌入的電子元件之前，需要去除孔槽中的支撐。

在結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計時，嵌入電子元件孔槽的設(shè)計要考慮到電子元件嵌入后與暫停層在同一平面，槽深為電子元件的厚度，保證中斷暫停后繼續(xù)打印該層面為一個平面。

基于熔融沉積3D打印時所設(shè)置層厚以及考慮產(chǎn)品實(shí)際結(jié)構(gòu)，合理的設(shè)置暫停層的位置，設(shè)置暫停層高度為層厚的整數(shù)倍。

所打印的結(jié)構(gòu)需要在兩臺3D打印機(jī)之間(FDM 3D打印機(jī)和電噴印3D打印機(jī))多次裝卸(取下、重新放回)，必須將被打印結(jié)構(gòu)再次置于暫停前的同一位置。

導(dǎo)電油墨的選擇需要綜合考慮導(dǎo)電油墨的粘度、表面張力、導(dǎo)電性能、成本、后處理、油墨與基底的浸潤性等多種因素。

本發(fā)明適用于柔性電子、可穿戴設(shè)備、智能傳感、功能性結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)、智能材料、復(fù)合智能結(jié)構(gòu)、光電子、智能皮膚、結(jié)構(gòu)性健康監(jiān)測、機(jī)器人、無人機(jī)等領(lǐng)域，尤其適合嵌入式電子產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域。

以一層結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品為例，其工藝過程如圖1a-圖1d所示，具體打印制造過程如下：

本實(shí)施例嵌入式電子產(chǎn)品被打印結(jié)構(gòu)材料是ABS塑料，電路打印的材料是導(dǎo)電銀漿。

選擇某一嵌入式電子產(chǎn)品8，根據(jù)功能要求設(shè)計的電路需要嵌入的電子元件分別是2和3，連接電子元件2和3的連接電路4，打印的結(jié)構(gòu)1，包括嵌入電子元件1的孔槽101，嵌入電子元件2的孔槽102，連接電路溝槽103。

基于3D打印該嵌入式電子產(chǎn)品8一體化制造的具體過程：

步驟1：首先，根據(jù)電子產(chǎn)品8的功能要求，分別進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計；然后，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)1、嵌入電子元件2和3、連接電路4集成一體化設(shè)計以及優(yōu)化設(shè)計；最后，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，輸出3D打印STL文件；

步驟2：電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)打印材料選用ABS塑料，采用FDM 3D打印制造基礎(chǔ)層(底層)和第一層結(jié)構(gòu)1，在打印結(jié)構(gòu)1的同時將用于嵌入電子元件2和電子元件3的孔槽101和孔槽102，以及連接電路的溝槽103同時打印出來，如圖1a所示；

步驟3：打印到設(shè)定的暫停位置(第100層)，中斷暫停FDM 3D打印，從FDM打印機(jī)工作臺上取下被打印結(jié)構(gòu)1，去除孔槽101和孔槽102和連接電路的溝槽103的支撐后，將 需要嵌入的電子元件2和電子元件3放置到預(yù)先設(shè)計位置打印出的孔槽101和孔槽102中，如圖1b所示；

步驟4：連接電路的打印材料選用導(dǎo)電銀漿，結(jié)合先前打印的連接電路溝槽103，采用電噴印3D打印機(jī)制造出連接電路4，如圖1c所示；

步驟5：連接電路完全固化后，將被打印電子產(chǎn)品重新放置到FDM 3D打印機(jī)暫停前的從工作臺取下的位置。如果打印件是多層電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行第二層電路結(jié)構(gòu)的打印。重復(fù)執(zhí)行以上步驟2到步驟4，直至完成最后一層電路結(jié)構(gòu)的打印，然后轉(zhuǎn)到步驟6。如果不是多層結(jié)構(gòu)，直接轉(zhuǎn)到步驟6。本實(shí)施例所打印的電子產(chǎn)品8為單層結(jié)構(gòu)1，直接轉(zhuǎn)到步驟6。

步驟6：使用FDM 3D打印機(jī)完成頂層結(jié)構(gòu)5的打印以及最后的封裝，如圖1d所示；

步驟7：完成電子產(chǎn)品8打印后，取下被打印件，進(jìn)行電子產(chǎn)品8性能測試，包括機(jī)械性能和電學(xué)性能。

本實(shí)施例所用的導(dǎo)電銀漿粘度6000～9000cp·s，玻璃化溫度55℃，體積比電阻0.002Ω/cm，工作溫度-55℃～100℃。使用丙酮作為稀釋劑配制導(dǎo)電銀漿溶液，導(dǎo)電銀漿與丙酮的體積比為1:3。

本實(shí)施例FDM 3D打印機(jī)美國Stratasys公司的FDM 3D打印機(jī)Dimension Elite。

本實(shí)施例電噴印的工藝參數(shù)：噴印電壓2500V，噴頭移動速度20mm/s，噴頭與基材的距離為0.05mm。電噴印打印完全部連接電路后，室溫放置2～5小時，使其完全固化。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)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(hù)范圍以內(nèi)。