3D打印增材制造技術 課件 【ch09】新型3D打印技術

第九章新型3D打印技術高等學校動畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設計造型基礎01直接墨水書寫3D打印技術PARTONE傳統(tǒng)的化學減成法電路制作工藝主要通過基材制備、線路刻蝕、元件焊接與絕緣封裝等加工過程制備電路。這類加工工藝主要適用于平面電路的成型，可用于制備柔性電子電路，但無法實現(xiàn)二維立體電路的制備，且操作流程煩瑣復雜:需要制作專用的電路掩膜，金屬材料浪費嚴重，需要使用多種化學藥劑和專用原料，刻鐘后生成的化學污水、重金屬廢液對環(huán)境污染嚴重。目前，以噴印、激光直接成型為代表的加工制造工藝是一類非接觸、無壓力、無印版的電路復制技術，可實現(xiàn)復雜三維電路結構的快速設計與加工。9.1直接墨水書寫3D打印技術9.1直接墨水書寫3D打印技術納米銀導電油墨1(2)納米銀相較于塊狀銀，有更大的比表面積，單位面積的原子數(shù)更多，這樣將明顯提高導電組分納米銀顆粒與基材的接觸面積，從而增強導電層在基材上的附著力，提高產(chǎn)品的質量。同時納米尺度的銀粉有更大的比表面積，對導電層間隙的填充效果更好，能在不降低器件性能的前提下，大大降低銀消耗量，節(jié)省成本。(3)隨著納米銀顆粒尺寸的減小，其表面能與比表面能不斷增大，燒結溫度將迅速下降當粒徑小于10nm時，燒結溫度可以降至100C以下，從而拓寬了基材的選擇范圍，使得紙張、聚對苯二甲酸乙二酷等成本低廉的基材可以得到廣泛應用。然而，銀價格也較貴，另外其自身存在著易遷移、硫化、抗焊錫侵蝕能力差、燒結過程容易開裂等缺陷。(1)納米銀顆粒的粒徑尺寸在納米級別，一般在50nm左右，以納米銀為導電組分，可以充分保證印制線路優(yōu)異的導電性能，以及目標產(chǎn)品良好的抗氧化性，所以在制備導電墨水及后期產(chǎn)品印制過程中無須另加防氧化措施。1.納米銀導電油墨9.1直接墨水書寫3D打印技術納米銀導電油墨13.納米銅導電油墨銅雖然具有高的導電性和相對低廉的成本，但是其化學性質較為活潑，容易氧化，其應用同樣受到一定的局限。溶劑在分散過程中，納米銅粒子的聚集，以及大量高質量、低成本納米銅的合成困難，仍然是困擾納米銅用于導電油墨填料的幾個關鍵問題。銅的導電性與銀相當，但銅的價格卻比銀的價格低得多，具有廣闊的發(fā)展前景。為了降低導電油墨的成本，以納米銅為介質的噴墨導電油墨在過去幾年得到了快速發(fā)展。但以納米銅為介質的噴墨導電油墨在空氣中易被氧化，使用時易團聚。金粉化學性質穩(wěn)定，具有良好的導電性，但黃金價格較貴，用途僅限于厚膜集成電路。2.納米金導電油墨4.碳納米管導電油墨碳納米管(CNT)因具有獨特的電子、化學和力學性能已成為納米科技的主導材料，合適的功能化可以有效發(fā)揮碳納米管優(yōu)異的導電性。噴墨印刷法也被用來制備可剝脫高質量碳納米管薄膜，操作簡單、薄膜厚度可控。CNT也常與導電聚合物復合應用，CNT的加入有效增加了聚合物的導電性，提高了聚合物印刷電子器件的性能。高導電性、碳材料本質決定的穩(wěn)定性及納米片層結構特點都決定了石墨烯可作為優(yōu)質導電油墨填料應用于導電油墨中，使導電油墨產(chǎn)品性能的提升極具想象空間。9.1直接墨水書寫3D打印技術5.金屬-非金屬復合導電墨水在料漿中添加所需組元粉末，利用金屬和非金屬的組合效果，生產(chǎn)各種復合材料和特殊性能材料。金屬-非金屬復合3D打印技術對原料粉末、顆粒要求低，大部分金屬粉末和非金屬粉末都已開發(fā)出了較為成熟的料漿體系，配制的料漿性能滿足金屬-非金屬復合3D打印技術要求。納米銀導電油墨19.1直接墨水書寫3D打印技術基本原理及特點2直接墨水書寫(DIW)3D打印技術可用于制備各種材質及性能的材料，其應用領域非常廣泛，包括電子學、結構材料、組織工程及軟機器人等。該技術所使用的墨水類型有很多種，如導電膠、彈性體及水凝膠等。這些墨水都有流變性能(如黏彈性、剪切稀化、屈服應力等).有助于3D打印過程的實施。在DIW過程中，黏彈性墨水從DIW3D打印機的噴嘴被擠壓出來，形成纖維，隨著噴嘴的移動，就可以沉積成特定的圖案。DIW3D打印技術是一種非接觸式打印技術，其原理是墨滴通過噴頭小孔直接噴射到打印介質表面的特定位置，以形成圖像。DIW3D打印技術具有操作簡單、打印精度高、打印速度快的特點。噴墨導電墨水是DIW3D打印技術的重要元素之一，按導電材料的性質，其可分為無機噴墨導電墨水和有機噴墨導電墨水兩類。無機噴墨導電墨水主要以金屬、金屬氧化物和碳作為導電材料，其中納米銀導電墨水的研究和使用最為廣泛。9.1直接墨水書寫3D打印技術工藝特點3不論是導電高分子系、納米金屬、有機金屬導電墨水還是碳材料類導電墨水，自身均不具備導電性，在打印后需要經(jīng)過一定的后處理工藝(如燒結、退火)，將導電墨水中的溶劑分散劑、穩(wěn)定劑等去除，使導電材料形成連續(xù)的薄膜后，才具備導電性。不論是墨水的配制還是后處理工藝，都較為復雜。除此之外，采用納米金、銀墨水進行大面積打印時成本較高而納米銅粒子容易氧化。為了保證打印效率，DIW3D打印機采用注射泵陣列和注射噴頭陣列結合的方式進行增材制造。計算機控制所有注射泵的推進速度，使注射噴頭只需對應打印的位置進行增材制造，以此實現(xiàn)三維沉積。9.1直接墨水書寫3D打印技術工藝特點31.掩膜沉積掩膜沉積工藝:首先通過化學浸蝕、模板光刻等方法在硅片等模板表面形成與目標結構相同的凹槽或圖形，然后在模板表面均勻涂覆一層液態(tài)金屬，通過外力擠壓等方式使得液態(tài)金屬充分填充入凹槽內，最后，將表面多余金屬材料去除后可直接進行封裝，以制作可拉伸彎折的柔性功能器件，或進行冷卻固化處理后將金屬制件與模板分離。2.微流道注射成型微流道注射成型是指使用立體光刻、溶解去除或熔融澆筑的方法在彈性基底表面預成型，隨后與另一彈性平板基底進行等離子表面處理、黏結，從而得到所需要的微通道結構:使用注射器或泵將液態(tài)金屬從預留的進料口甚至生物體內的天然毛細管注入，隨著液態(tài)金屬進入流道并灌滿所有空隙空間后，最終得到與設計結構或充填對象一致的點、線和其他結構。9.1直接墨水書寫3D打印技術工藝特點33.液滴堆積液滴堆積是指通過氣壓、壓電、機械振動、應力波等驅動方式產(chǎn)生金屬液滴，根據(jù)目標產(chǎn)品的尺寸形狀和結構特征，通過控制噴頭或基板的運動軌跡，使金屬液滴在指定位置實現(xiàn)有序、精確地沉積并相互融合、凝固。4.線性直寫

線性直寫過程:首先，以氣壓、活塞或材料自重為動力源，使液態(tài)金屬從噴頭中連續(xù)擠出形成線形流體;然后，借助計算機精確控制噴頭與基底之間的相對位置，實現(xiàn)金屬材料在基底上的連續(xù)線性沉積，依靠液態(tài)金屬的表面張力和氧化層保證電子線路的成型精度和結構穩(wěn)定性;最后，將室溫硫化型硅橡膠疊印在成型電路之上，起到封裝和電氣絕緣作用。02液態(tài)金屬懸浮3D打印技術PARTTWO最具代表性的室溫液態(tài)金屬為及基合金。(Ga)是主要用作液態(tài)金屬合金的3D打印材料，它具有金屬導電性，其黏度類似于水。不同于汞(Hg)，既不含毒性，也不會蒸發(fā)。嫁可用于柔性和伸縮性的電子產(chǎn)品，已在可變形天線的軟伸縮部件、軟存儲設備、超伸縮電線和軟光學部件上得到了應用。最具代表性的室溫液態(tài)金屬為及基合金。(Ga)是主要用作液態(tài)金屬合金的3D打印材料，它具有金屬導電性，其黏度類似于水。不同于汞(Hg)，既不含毒性，也不會蒸發(fā)。嫁可用于柔性和伸縮性的電子產(chǎn)品，已在可變形天線的軟伸縮部件、軟存儲設備、超伸縮電線和軟光學部件上得到了應用。

液態(tài)金屬通常指的是熔點低于200C的低熔點合金，其中室溫液態(tài)金屬的熔點更低，在室溫下即呈液態(tài)。與傳統(tǒng)流體相比，液態(tài)金屬具有優(yōu)異的導熱和導電性能，且液相溫度區(qū)間寬廣，這種金屬具有電導率高、制備簡單、無須后處理等優(yōu)點。液態(tài)金屬具有自主形態(tài)變化等多種特性，在電場、磁場作用下還能表現(xiàn)出很多神奇的變化，能廣泛應用于3D打印、柔性智能機器、血管機器人等領域，類生物學行為的新發(fā)現(xiàn)將進一步開拓液態(tài)金屬研究的新領域。9.2液態(tài)金屬懸浮3D打印技術1液態(tài)金屬材料9.2液態(tài)金屬懸浮3D打印技術2工藝過程凝膠材料受到噴頭的擠壓而發(fā)生局部液化，這使得噴頭可以輕易插入凝膠內部并在其內部自如運動:當噴頭經(jīng)過后，發(fā)生液化的凝膠會迅速固化并恢復到穩(wěn)定形態(tài)。室溫液態(tài)金屬通過打印噴頭被連續(xù)擠出。較高的表面張力使得擠出的液態(tài)金屬以球狀液滴的形態(tài)懸掛在噴頭頂端，隨著噴頭與凝膠之間的相對運動，擠出的金屬液滴發(fā)生頸縮并最終與噴頭斷開，被支撐凝膠包裹、固定，在打印噴頭經(jīng)過的路徑上留下一系列獨立的液態(tài)金屬微球。在凝膠支撐環(huán)境中通過室溫液態(tài)金屬微球的逐層堆積，最終成型多維度宏觀三維結構。9.2液態(tài)金屬懸浮3D打印技術3特點及應用(1)電子制造:通過替代傳統(tǒng)油墨，以印刷的方式在基材上制造電子電路及器件，實現(xiàn)機電一體化制造，功能結構一次成型，如復雜大面積柔性PCB、RFID標簽、智能標簽等。(2)柔性傳感與可穿戴:鑒于柔性電子基底的兼容性，可適用于陶瓷、玻璃、樹葉、塑料、纖維等材料。(3)智能空間:基于涂層電路讓墻壁、門窗、地面等變得智能化。(4)藝術:如各類工藝品、個性裝飾等。除此之外，在廣告領域、智能家居、智能手機、無線通信、電子皮膚、醫(yī)療技術等方面也有很大的應用前景。液態(tài)金屬懸浮3D打印技術的特點:可成型任意復雜形狀的三維結構、集打印封裝于體、室溫制造金屬構件、可實現(xiàn)立體柔性電路打印、成型周期短、零技能制造。液態(tài)金屬懸浮3D打印技術在柔性立體電路實現(xiàn)、電子邏輯單元構筑、軟體機器人組裝材料封裝及生物醫(yī)學等諸多領域具有重要價值。03雙光子聚合激光3D直寫打印技術PARTTHREE由于樹脂材料的黏度、表面張力等因素的影響，小涂層厚等因素的限制，以及微立體光刻固化是基于單光子吸收聚合固化的本質特性，微立體光刻目前能達到的分辨率是在微尺度范圍，如果進一步提高微立體光刻的分辨率，那么實現(xiàn)亞微尺度和納尺度結構制造將面臨曰大的挑戰(zhàn)。雙光子聚合(Two-PhotonPolmerization，TPP)是物質在發(fā)生雙光子吸收后所引發(fā)的光聚合過程?；陔p光子聚合激光3D直寫打印技術可以突破經(jīng)典光學衍射的限制，制造分辨率高的納米尺度的任意形狀三維結構，其在微光學、微流控、微電子、微器件三維微加工、高密度光儲存及生物醫(yī)療等領域得到了廣泛應用，近年來已成為全球高新技術領域的一大研究熱點。在雙光子聚合工藝中，飛秒激光脈沖具有極小的脈沖寬度和極高的峰值功率，與物質相互作用時呈現(xiàn)強烈的非線性效應，作用時間極短，熱效應小。近紅外區(qū)的飛秒激光又能避免紫外激光對大多數(shù)材料不透明的缺點，它可以深入透明材料內部在介觀尺度上實現(xiàn)真正意義上的三維立體微加工。因此，與傳統(tǒng)分層微立體光刻相比，雙光子聚合具有更高的分辨率。9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術基本原理1雙光子吸收(Two-PhotoAbsorption，TPA)是指物質的一個分子同時吸收兩個光子的過程，此過程只能在強激光作用下發(fā)生，是一種強激光下光與物質相互作用的現(xiàn)象。雙光子吸收屬于二階非線性光學效應，雙光子聚合僅發(fā)生在激光焦點處，分辨率可突破瑞利判據(jù)決定的光學衍射極限，達到幾十納米。

1.雙光子吸收(1)普通光聚合采用紫外波長(250~400nm)的激光，光子能量高，光經(jīng)過的地方均發(fā)生聚合。普通光聚合機理為引發(fā)劑只吸收一個光子，產(chǎn)生自由基或陽離子等活性基團，引發(fā)單體聚合:或者光敏劑先吸收一個光子，然后與引發(fā)劑發(fā)生能量交換或電子轉移產(chǎn)生活性基團引發(fā)單體聚合。2.聚合機理9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術基本原理1(2)雙光子聚合和普通光聚合的聚合機理基本相同，區(qū)別在于引發(fā)劑吸收光子的方式不同。TPP采用近紅外波長(600~1000nm)的激光，近紅外波長光子能量低，線性吸收及瑞利散射小，在介質中穿透性強。引發(fā)劑或光敏劑在光子強度高的焦點處會產(chǎn)生TPA，從而引發(fā)液態(tài)樹脂發(fā)生聚合而固化。圖9-3所示為單光子激發(fā)聚合和雙光子激發(fā)聚合，固化區(qū)域稱為Voxel。通過控制Voxel在空間的位置分布，可加工出任意形狀的三維結構。只要控制入射光強度，就可使焦點之外的區(qū)域入射光強不足以產(chǎn)生TPA效應;只要焦點處發(fā)生TPA而產(chǎn)生化學反應，就可將反應限制于焦點附近極小的區(qū)域。根據(jù)設計的路徑移動焦點，就可在樹脂中加工出指定形狀的三維結構。TPP加工空間分辨率高，其加工精度取決于焦點的大小。2.聚合機理9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術基本原理1TPP樹脂包括負刻膠和正刻膠(1)負刻膠聚合機理是自由基引發(fā)的連鎖聚合，反應速度快，處理過程簡單且可選擇的引發(fā)劑和單體范圍廣，所以TPP采用的樹脂大多是負刻膠。丙烯酸酷類樹脂是最常用的負刻膠。(2)正刻膠聚合機理是陽離子聚合，引發(fā)劑發(fā)生TPA產(chǎn)生Brcpnsted酸，引發(fā)環(huán)氧化合物或乙烯基醚聚合。3.雙光子聚合材料9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術成型工藝及設備2其中，飛秒激光作為激發(fā)光源(波長為780nm重復頻率為80MHZ，脈沖寬度為80fs)，在光路中放置快門及衰減器調節(jié)曝光時間和光強光束經(jīng)擴束鏡后由物鏡聚焦到待加工樹脂，利用三維移動系統(tǒng)(三維移動臺或二維振鏡與一維移動臺組合)控制激光焦點在樹脂中按照設計的路徑進行掃描。整個系統(tǒng)配備照明光源、二向色鏡及CCD，用于對加工過程進行實時觀察。加工完成后，將未聚合樹脂用乙醇等溶劑洗去，即得到三維微結構。9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術特點及應用3與傳統(tǒng)的單光子吸收引發(fā)的聚合反應相比，雙光子吸收引發(fā)的聚合反應有如下兩個明顯的特征。(1)在強光的輻射下，電子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷時，其躍遷概率與入射光強度的平方成正比，因而入射光束在緊聚焦的情況下，聚合反應僅發(fā)生在入射光波長范圍的體積內，光路上其他地方的激光強度不足以產(chǎn)生雙光子吸收，且由于所用光波長較長，能量較低，相應的單光子吸收過程不能發(fā)生，因此，雙光子吸收過程具有良好的空間選擇性。(2)聚合反應的激光光源可選擇在可見光一近