[发明专利]一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置及方法

权利要求书

1.一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置，其特征在于：包括支架、x轴移动装置、y轴移动装置、喷头装置、z轴移动装置、支撑板、打印沉积室、电解液循环装置、蒸馏水循环装置，其中x轴移动装置、y轴移动装置、z轴移动装置安装支架上，喷头装置安装在x轴移动装置、y轴移动装置上，可做xy方向移动，支撑板安装在z轴移动装置上，打印沉积室置于支撑板上方，可做z方向移动，电解液循环装置、蒸馏水循环装置置于支架底部。

2.根据权利要求1所述的一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置，其特征在于：所述的x轴移动装置，包括光杠一、移动块一、皮带一、步进电机一、主动皮带轮一、主动轴杆一、从动皮带轮一和从动轴杆一，其中光杠一两侧插入支架从而被固定，移动块一与光杠一滑动连接，仅具有x方向的自由度，主动皮带轮一、从动皮带轮一分别与主动轴杆一、从动轴杆一固定连接，皮带一绕接在主动皮带轮一和从动皮带轮一上，步进电机一输出轴和主动轴杆一固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置，其特征在于：所述的y轴移动装置，包括光杠二、皮带二、移动块二、步进电机二、主动皮带轮二、主动轴杆二、从动皮带轮二和从动轴杆二，其中光杠二两侧插入支架从而被固定，移动块二与光杠二滑动连接，仅具有y方向的自由度，两端的主动皮带轮二、从动皮带轮二分别与主动轴杆二、从动轴杆二固定连接，皮带二绕接在主动皮带轮二和从动皮带轮二上，步进电机二输出轴和主动轴杆二固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置，其特征在于：所述的喷头装置，包括绝缘丝喷头、导电丝喷头、喷头夹块、导电丝进料管、绝缘丝进料管、光杠三、光杠四，其中绝缘丝进料管、导电丝进料管分别将绝缘丝材、导电丝材输送至绝缘丝喷头和导电丝喷头，绝缘丝喷头和导电丝喷头固定在喷头夹块上，光杠三、光杠四插入喷头夹块中，分别由x轴移动装置上的移动块一、y轴移动装置上的移动块二带动光杠三、光杠四及其上的喷头夹块、绝缘丝喷头、导电丝喷头做x方向、y方向的移动。

5.根据权利要求1所述的一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置，其特征在于：所述的z轴移动装置，包括步进电机三、光杠五及光杠六、光杠七及光杠八、丝杠一、丝杠二、升降块一和升降块二，其中光杠五及光杠六、丝杠一、光杠七及光杠八、丝杠二分别固定在支架上，升降块一与丝杠一螺纹连接，升降块二与丝杠二螺纹连接，步进电机三输出轴与丝杠二上端固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置，其特征在于：所述的打印沉积室，包括打印沉积槽、铜板、正极接线柱、负极接线柱、导电胶带，其中的铜板、导电胶带分别固定在打印沉积槽的侧面及底部，正极接线柱固连在铜板上，负极接线柱固连在导电胶带上。

7.根据权利要求1所述的一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置，其特征在于：所述的电解液循环装置，包括电解液槽、电解液供给管路、电解液输出管路，其中的电解液供给管路连接电解液槽及打印沉积槽，电解液输出管路连接电解液槽及打印沉积槽。

8.根据权利要求1所述的一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置，其特征在于：所述的蒸馏水循环装置，包括蒸馏水槽、蒸馏水供给管路、蒸馏水输出管路，其中的蒸馏水供给管路连接蒸馏水槽及打印沉积槽，蒸馏水输出管路连接蒸馏水槽及打印沉积槽。

9.采用如权利要求1～8任一项所述的一种基于选择性电沉积的电子元器件3D打印装置的方法，包括下列步骤：

(1)、FDM丝材的制备：绝缘丝材制备：选取热塑性高分子材料粉末：聚乳酸PLA、聚醚醚酮PEEK或聚苯硫醚PPS，将粉末干燥以去除水分，之后熔融挤出制成丝材，丝材直径取决于打印机要求；导电丝材制备：选取热塑性高分子材料粉末：聚乳酸PLA、聚醚醚酮PEEK或聚苯硫醚PPS以及导电功能粒子粉末：碳纳米管、石墨烯或炭黑，将两种粉末分别干燥以去除水分，之后利用混料机将两种粉末混合，将混合均匀的粉末再次干燥以去除水分，之后熔融挤出制成丝材，丝材直径取决于打印机要求，并与绝缘丝材直径相同；

(2)、电解液的配置：取CuSO₄·5H₂0，20g-30g、浓H₂SO₄，0-30mL，加入至适量的蒸馏水中，利用磁力搅拌器搅拌，使之混合均匀，配置成250mL电解液；

(3)、模型数据转化：根据所需要的导电元件的结构，设计3D打印的零件结构，零件结构由导电区域和绝缘区域组成，且零件的导电区域要与打印沉积室内的导电胶带相接触，之后构建相应的Catia模型，将模型从Z方向切片分层处理，使每层厚度为微米级，将模型每层的图形信息导入到计算的控制程序中；

(4)、三维零件打印：基于相应的三维零件Catia模型，喷头装置中的绝缘丝喷头、导电丝喷头分别熔融挤出绝缘丝材、导电丝材，逐层堆积出由绝缘区域和导电区域组成的三维零件；

(5)、选择性电沉积铜金属：经3D打印后成形的三维零件其导电区域与打印沉积室内的导电胶带相接触，通过负极接线与电源负极相连作为电沉积阴极，而铜板通过正极接线与电源正极相连作为电沉积阳极，电解液槽内的电解液经由电解液供给管路供给至打印沉积槽，之后接通电源，根据电化学反应原理，金属铜选择性沉积至三维零件的导电区域表面，制备出电子元器件；

(6)、电子元器件清洗干燥：在经由三维零件打印和选择性电沉积铜金属制备出导电元件后，电解液经由电解液输出管路由打印沉积槽重新输出至电解液槽，之后蒸馏水槽内的蒸馏水经由蒸馏水供给管路供给至打印沉积槽，清洗电子元器件及打印沉积室，清洗后蒸馏水经由蒸馏水输出管路由打印沉积槽输出至蒸馏水槽，待电子元器件干燥后取出。