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弯曲导电迹线的五轴多材料3D打印

频道:新材料 日期: 浏览:404

供稿人:吕洋、高琳
供稿单位:西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源:中国机械工程学会增材制造技术(3D打印)分会

      近年来,随着商业导电丝的可用性增加,经由材料挤出(MEX)对三维印刷电子器件进行原型制作已经变得流行。然而,平面3D打印方法在挤出用于倾斜表面的导电迹线方面显示出明显的挑战。由于平面结构的固有特性,其中材料层层沉积,导致倾斜表面上的互连件的较弱导电性或层间结合断裂。这种固有特性限制了基于聚乳酸(PLA)的导电丝的3D打印的设计导电物体自由度。为了克服平面3D打印的这种限制,帝国理工学院的研究团队提出了一种采用多材料5轴3D打印机在弯曲层中挤出导电PLA的新方法。
      为了制造共形样品,基于E3D的工具更换硬件构建了一个定制的多材料5轴3D打印机(图1)。


图1 左:基于E3D换刀硬件系统的定制多材料5轴3D打印机。右:导电迹线在倾斜衬底上进行5轴3D打印导电迹线过程。

    在研究中,研究团队使用了两种1.75mmPLA长丝,分别是碳基PLA和铜基PLA,碳基PLA较铜基PLA有更高的电阻率,在这项工作中,使用标准的非导电PLA长丝(1.75 mm)在220 ℃下3D打印基材。为了研究弯曲层沉积在电迹线的3D打印中的影响,研究团队将两种PLA材料打印到各种倾斜和弯曲的3D打印基板上,比较了对于各种倾斜角和曲率半径的共形和平面3D打印的电迹线的电阻率的差异(图2)。与平面迹线相比,共形迹线的电阻率更加一致。


图2 铜基PLA走线的平均电阻率。平面印刷样品为黑色,共形印刷样品为红色。误差条表示各自曲率半径的测量值范围。

     研究表明,使用保形方法的3D打印导电迹线显著稳定了各种几何形状的基板的打印迹线的导电性。印刷迹线的导电性降低的最主要因素是对层间结合的依赖,对于铜基PLA尤其明显。并且铜基PLA确实更容易受到印刷环境的影响。通过多轴3D打印可以消除渗出和拉丝,显著提高共形特征的质量。

参考文献:
Hong F, Lampret B, Myant C, Hodges S, Boyle D. 5-axis multi-material 3D printing of curved electrical traces. Additive Manufacturing. 2023;70. doi:10.1016/j.addma.2023.103546


关键词:多材料3D打印

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