3D打印增材制造技術(shù) 課件 【ch09】新型3D打印技術(shù)

第九章新型3D打印技術(shù)高等學(xué)校動(dòng)畫與數(shù)字媒體專業(yè)『全媒體』創(chuàng)意創(chuàng)新系列教材設(shè)計(jì)造型基礎(chǔ)01直接墨水書寫3D打印技術(shù)PARTONE傳統(tǒng)的化學(xué)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(shí)現(xiàn)二維立體電路的制備，且操作流程煩瑣復(fù)雜:需要制作專用的電路掩膜，金屬材料浪費(fèi)嚴(yán)重，需要使用多種化學(xué)藥劑和專用原料，刻鐘后生成的化學(xué)污水、重金屬?gòu)U液對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)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(fù)制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維電路結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)與加工。9.1直接墨水書寫3D打印技術(shù)9.1直接墨水書寫3D打印技術(shù)納米銀導(dǎo)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(dǎo)電組分納米銀顆粒與基材的接觸面積，從而增強(qiáng)導(dǎo)電層在基材上的附著力，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)納米尺度的銀粉有更大的比表面積，對(duì)導(dǎo)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(jié)溫度將迅速下降當(dāng)粒徑小于10nm時(shí)，燒結(jié)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(duì)苯二甲酸乙二酷等成本低廉的基材可以得到廣泛應(yīng)用。然而，銀價(jià)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(jié)過程容易開裂等缺陷。(1)納米銀顆粒的粒徑尺寸在納米級(jí)別，一般在50nm左右，以納米銀為導(dǎo)電組分，可以充分保證印制線路優(yōu)異的導(dǎo)電性能，以及目標(biāo)產(chǎn)品良好的抗氧化性，所以在制備導(dǎo)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(dǎo)電油墨9.1直接墨水書寫3D打印技術(shù)納米銀導(dǎo)電油墨13.納米銅導(dǎo)電油墨銅雖然具有高的導(dǎo)電性和相對(duì)低廉的成本，但是其化學(xué)性質(zhì)較為活潑，容易氧化，其應(yīng)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(zhì)量、低成本納米銅的合成困難，仍然是困擾納米銅用于導(dǎo)電油墨填料的幾個(gè)關(guān)鍵問題。銅的導(dǎo)電性與銀相當(dāng)，但銅的價(jià)格卻比銀的價(jià)格低得多，具有廣闊的發(fā)展前景。為了降低導(dǎo)電油墨的成本，以納米銅為介質(zhì)的噴墨導(dǎo)電油墨在過去幾年得到了快速發(fā)展。但以納米銅為介質(zhì)的噴墨導(dǎo)電油墨在空氣中易被氧化，使用時(shí)易團(tuán)聚。金粉化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的導(dǎo)電性，但黃金價(jià)格較貴，用途僅限于厚膜集成電路。2.納米金導(dǎo)電油墨4.碳納米管導(dǎo)電油墨碳納米管(CNT)因具有獨(dú)特的電子、化學(xué)和力學(xué)性能已成為納米科技的主導(dǎo)材料，合適的功能化可以有效發(fā)揮碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性。噴墨印刷法也被用來制備可剝脫高質(zhì)量碳納米管薄膜，操作簡(jiǎn)單、薄膜厚度可控。CNT也常與導(dǎo)電聚合物復(fù)合應(yīng)用，CNT的加入有效增加了聚合物的導(dǎo)電性，提高了聚合物印刷電子器件的性能。高導(dǎo)電性、碳材料本質(zhì)決定的穩(wěn)定性及納米片層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都決定了石墨烯可作為優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電油墨填料應(yīng)用于導(dǎo)電油墨中，使導(dǎo)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(shù)5.金屬-非金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)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(fù)合材料和特殊性能材料。金屬-非金屬?gòu)?fù)合3D打印技術(shù)對(duì)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?gòu)?fù)合3D打印技術(shù)要求。納米銀導(dǎo)電油墨19.1直接墨水書寫3D打印技術(shù)基本原理及特點(diǎn)2直接墨水書寫(DIW)3D打印技術(shù)可用于制備各種材質(zhì)及性能的材料，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括電子學(xué)、結(jié)構(gòu)材料、組織工程及軟機(jī)器人等。該技術(shù)所使用的墨水類型有很多種，如導(dǎo)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(yīng)力等).有助于3D打印過程的實(shí)施。在DIW過程中，黏彈性墨水從DIW3D打印機(jī)的噴嘴被擠壓出來，形成纖維，隨著噴嘴的移動(dòng)，就可以沉積成特定的圖案。DIW3D打印技術(shù)是一種非接觸式打印技術(shù)，其原理是墨滴通過噴頭小孔直接噴射到打印介質(zhì)表面的特定位置，以形成圖像。DIW3D打印技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、打印精度高、打印速度快的特點(diǎn)。噴墨導(dǎo)電墨水是DIW3D打印技術(shù)的重要元素之一，按導(dǎo)電材料的性質(zhì)，其可分為無機(jī)噴墨導(dǎo)電墨水和有機(jī)噴墨導(dǎo)電墨水兩類。無機(jī)噴墨導(dǎo)電墨水主要以金屬、金屬氧化物和碳作為導(dǎo)電材料，其中納米銀導(dǎo)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(shù)工藝特點(diǎn)3不論是導(dǎo)電高分子系、納米金屬、有機(jī)金屬導(dǎo)電墨水還是碳材料類導(dǎo)電墨水，自身均不具備導(dǎo)電性，在打印后需要經(jīng)過一定的后處理工藝(如燒結(jié)、退火)，將導(dǎo)電墨水中的溶劑分散劑、穩(wěn)定劑等去除，使導(dǎo)電材料形成連續(xù)的薄膜后，才具備導(dǎo)電性。不論是墨水的配制還是后處理工藝，都較為復(fù)雜。除此之外，采用納米金、銀墨水進(jìn)行大面積打印時(shí)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(jī)采用注射泵陣列和注射噴頭陣列結(jié)合的方式進(jìn)行增材制造。計(jì)算機(jī)控制所有注射泵的推進(jìn)速度，使注射噴頭只需對(duì)應(yīng)打印的位置進(jìn)行增材制造，以此實(shí)現(xiàn)三維沉積。9.1直接墨水書寫3D打印技術(shù)工藝特點(diǎn)31.掩膜沉積掩膜沉積工藝:首先通過化學(xué)浸蝕、模板光刻等方法在硅片等模板表面形成與目標(biāo)結(jié)構(gòu)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(nèi)，最后，將表面多余金屬材料去除后可直接進(jìn)行封裝，以制作可拉伸彎折的柔性功能器件，或進(jìn)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(yù)成型，隨后與另一彈性平板基底進(jìn)行等離子表面處理、黏結(jié)，從而得到所需要的微通道結(jié)構(gòu):使用注射器或泵將液態(tài)金屬?gòu)念A(yù)留的進(jìn)料口甚至生物體內(nèi)的天然毛細(xì)管注入，隨著液態(tài)金屬進(jìn)入流道并灌滿所有空隙空間后，最終得到與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或充填對(duì)象一致的點(diǎn)、線和其他結(jié)構(gòu)。9.1直接墨水書寫3D打印技術(shù)工藝特點(diǎn)33.液滴堆積液滴堆積是指通過氣壓、壓電、機(jī)械振動(dòng)、應(yīng)力波等驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生金屬液滴，根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的尺寸形狀和結(jié)構(gòu)特征，通過控制噴頭或基板的運(yùn)動(dòng)軌跡，使金屬液滴在指定位置實(shí)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(dòng)力源，使液態(tài)金屬?gòu)膰婎^中連續(xù)擠出形成線形流體;然后，借助計(jì)算機(jī)精確控制噴頭與基底之間的相對(duì)位置，實(shí)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(jié)構(gòu)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(shù)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(dǎo)電性，其黏度類似于水。不同于汞(Hg)，既不含毒性，也不會(huì)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(chǔ)設(shè)備、超伸縮電線和軟光學(xué)部件上得到了應(yīng)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(dǎo)電性，其黏度類似于水。不同于汞(Hg)，既不含毒性，也不會(huì)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(chǔ)設(shè)備、超伸縮電線和軟光學(xué)部件上得到了應(yīng)用。

液態(tài)金屬通常指的是熔點(diǎn)低于200C的低熔點(diǎn)合金，其中室溫液態(tài)金屬的熔點(diǎn)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(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，且液相溫度區(qū)間寬廣，這種金屬具有電導(dǎo)率高、制備簡(jiǎn)單、無須后處理等優(yōu)點(diǎn)。液態(tài)金屬具有自主形態(tài)變化等多種特性，在電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下還能表現(xiàn)出很多神奇的變化，能廣泛應(yīng)用于3D打印、柔性智能機(jī)器、血管機(jī)器人等領(lǐng)域，類生物學(xué)行為的新發(fā)現(xiàn)將進(jìn)一步開拓液態(tài)金屬研究的新領(lǐng)域。9.2液態(tài)金屬懸浮3D打印技術(shù)1液態(tài)金屬材料9.2液態(tài)金屬懸浮3D打印技術(shù)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(nèi)部并在其內(nèi)部自如運(yùn)動(dòng):當(dāng)噴頭經(jīng)過后，發(fā)生液化的凝膠會(huì)迅速固化并恢復(fù)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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dú)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(jié)構(gòu)。9.2液態(tài)金屬懸浮3D打印技術(shù)3特點(diǎn)及應(yīng)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(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化制造，功能結(jié)構(gòu)一次成型，如復(fù)雜大面積柔性PCB、RFID標(biāo)簽、智能標(biāo)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(shù):如各類工藝品、個(gè)性裝飾等。除此之外，在廣告領(lǐng)域、智能家居、智能手機(jī)、無線通信、電子皮膚、醫(yī)療技術(shù)等方面也有很大的應(yīng)用前景。液態(tài)金屬懸浮3D打印技術(shù)的特點(diǎn):可成型任意復(fù)雜形狀的三維結(jié)構(gòu)、集打印封裝于體、室溫制造金屬構(gòu)件、可實(shí)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(shù)在柔性立體電路實(shí)現(xiàn)、電子邏輯單元構(gòu)筑、軟體機(jī)器人組裝材料封裝及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域具有重要價(jià)值。03雙光子聚合激光3D直寫打印技術(shù)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(zhì)特性，微立體光刻目前能達(dá)到的分辨率是在微尺度范圍，如果進(jìn)一步提高微立體光刻的分辨率，那么實(shí)現(xiàn)亞微尺度和納尺度結(jié)構(gòu)制造將面臨曰大的挑戰(zhàn)。雙光子聚合(Two-PhotonPolmerization，TPP)是物質(zhì)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(shù)可以突破經(jīng)典光學(xué)衍射的限制，制造分辨率高的納米尺度的任意形狀三維結(jié)構(gòu)，其在微光學(xué)、微流控、微電子、微器件三維微加工、高密度光儲(chǔ)存及生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，近年來已成為全球高新技術(shù)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。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(zhì)相互作用時(shí)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)，作用時(shí)間極短，熱效應(yīng)小。近紅外區(qū)的飛秒激光又能避免紫外激光對(duì)大多數(shù)材料不透明的缺點(diǎn)，它可以深入透明材料內(nèi)部在介觀尺度上實(shí)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(shù)9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術(shù)基本原理1雙光子吸收(Two-PhotoAbsorption，TPA)是指物質(zhì)的一個(gè)分子同時(shí)吸收兩個(gè)光子的過程，此過程只能在強(qiáng)激光作用下發(fā)生，是一種強(qiáng)激光下光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象。雙光子吸收屬于二階非線性光學(xué)效應(yīng)，雙光子聚合僅發(fā)生在激光焦點(diǎn)處，分辨率可突破瑞利判據(jù)決定的光學(xué)衍射極限，達(dá)到幾十納米。

1.雙光子吸收(1)普通光聚合采用紫外波長(zhǎng)(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(jī)理為引發(fā)劑只吸收一個(gè)光子，產(chǎn)生自由基或陽離子等活性基團(tuán)，引發(fā)單體聚合:或者光敏劑先吸收一個(gè)光子，然后與引發(fā)劑發(fā)生能量交換或電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生活性基團(tuán)引發(fā)單體聚合。2.聚合機(jī)理9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術(shù)基本原理1(2)雙光子聚合和普通光聚合的聚合機(jī)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(zhǎng)(600~1000nm)的激光，近紅外波長(zhǎng)光子能量低，線性吸收及瑞利散射小，在介質(zhì)中穿透性強(qiáng)。引發(fā)劑或光敏劑在光子強(qiáng)度高的焦點(diǎn)處會(huì)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(jié)構(gòu)。只要控制入射光強(qiáng)度，就可使焦點(diǎn)之外的區(qū)域入射光強(qiáng)不足以產(chǎn)生TPA效應(yīng);只要焦點(diǎn)處發(fā)生TPA而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，就可將反應(yīng)限制于焦點(diǎn)附近極小的區(qū)域。根據(jù)設(shè)計(jì)的路徑移動(dòng)焦點(diǎn)，就可在樹脂中加工出指定形狀的三維結(jié)構(gòu)。TPP加工空間分辨率高，其加工精度取決于焦點(diǎn)的大小。2.聚合機(jī)理9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術(shù)基本原理1TPP樹脂包括負(fù)刻膠和正刻膠(1)負(fù)刻膠聚合機(jī)理是自由基引發(fā)的連鎖聚合，反應(yīng)速度快，處理過程簡(jiǎn)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(fù)刻膠。丙烯酸酷類樹脂是最常用的負(fù)刻膠。(2)正刻膠聚合機(jī)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(shù)成型工藝及設(shè)備2其中，飛秒激光作為激發(fā)光源(波長(zhǎng)為780nm重復(fù)頻率為80MHZ，脈沖寬度為80fs)，在光路中放置快門及衰減器調(diào)節(jié)曝光時(shí)間和光強(qiáng)光束經(jīng)擴(kuò)束鏡后由物鏡聚焦到待加工樹脂，利用三維移動(dòng)系統(tǒng)(三維移動(dòng)臺(tái)或二維振鏡與一維移動(dòng)臺(tái)組合)控制激光焦點(diǎn)在樹脂中按照設(shè)計(jì)的路徑進(jìn)行掃描。整個(gè)系統(tǒng)配備照明光源、二向色鏡及CCD，用于對(duì)加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jié)構(gòu)。9.3雙光子聚合激光3D直寫打印技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用3與傳統(tǒng)的單光子吸收引發(fā)的聚合反應(yīng)相比，雙光子吸收引發(fā)的聚合反應(yīng)有如下兩個(gè)明顯的特征。(1)在強(qiáng)光的輻射下，電子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷時(shí)，其躍遷概率與入射光強(qiáng)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(yīng)僅發(fā)生在入射光波長(zhǎng)范圍的體積內(nèi)，光路上其他地方的激光強(qiáng)度不足以產(chǎn)生雙光子吸收，且由于所用光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能量較低，相應(yīng)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(yīng)的激光光源可選擇在可見光一近