功能器件的3D打印技术在惯性器件中应用探析-精密智造.PDF

2016 年第二届精密智造高层论坛暨第三十七届航天精密加工技术交流会论文集 功能器件的3D 打印技术在惯性器件中应用探析 唐照芳 张路 徐志强 (北京航天控制仪器研究所，北京，100039) 摘 要：3D 打印技术是随着计算机数控技术、激光技术、材料科学与控制工程技术、 计算机辅助设计与制造技术、网络技术等的出现而发展的高新技术。已经成为一门新兴综合 性计算机和自动化应用技术，这项技术从根本上改变了过去从设计到产品的整个生产过程中 的技术管理和工作方式，给设计和制造领域带来了深刻的变革。本文将探讨将微笔直写技术 与激光微熔覆技术相结合，利用微笔直写将浆料按图形轨迹预置在零件上，从而实现在铝合 金结构上功能器件的3D 打印技术。 关键词：功能器件；微笔直写；激光熔覆 引 言 在智能制造的大背景下，3D 打印技术将与物联网、大数据、机器人等先进技术充分融 合成为智能数字制造平台，具有广阔的发展前景。3D 打印是指将三维实体变为若干逻辑点、 面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产的技术。 通过国内外二十多年来研究和应用的发展，从民用的汽车、医疗植入、电子、消费品、 模具和艺术等领域，已经扩展到了航空航天领域。在我们惯性器件产品制造领域，传统制造 技术已经接近极限，3D 打印技术已经开始在精密结构件的设计和制造中取得了初步效果。 3D 打印技术具有柔性高、响应快速、材料适用广泛等特点，同时也可以使设计摆脱工 艺制约，实现产品功能结构一体化功能，但是由于航天惯性器件产品的特殊性，功能器件打 印技术的应用基本尚属空白。因此惯性器件3D 打印技术的另一个重点方向将会是以直写成 型3D 打印电阻、电容、电感等集成电子元件，以此取代传统胶结、焊接、丝网印刷等工艺 方式，且具有低环保、低成本、高效率等诸多优点。 1 功能器件3D 打印技术定义与内涵 直写成型3D 打印越来越广泛应用于线路板、导线、电阻、电容、电感等功能器件的制 作，在简化工艺、提高效率降低成本方面发挥了重要的作用。 直写成型技术是3D 打印技术的重要分支，泛指成形零件结构尺寸在5mm 以内、特征 尺寸分辨率低于50 微米的 3D 打印技术。直写工艺和先进材料的发展进一步减小了产品特 征尺寸，又使直写成型技术在电子制造领域有了更为广泛的应用，所制得的产品性能与传统 1 2016 年第二届精密智造高层论坛暨第三十七届航天精密加工技术交流会论文集 工艺制作的性能相当。具有柔性高、响应快速、材料适用广泛、成形结构复杂等特点，在惯 性仪表产品制造领域中解决加热、测温传感器的装配工艺瓶颈问题，尤其是实现惯性器件功 能结构一体化制造方面具有广阔潜力。 2 功能器件的直写成型3D 打印技术 2.1 直写成型3D 打印技术 直写成型 3D 打印技术由美国 Sandia 国家实验室CESARANO 等首次提出。是一种新 型的无模成型技术，该技术借助计算机辅助设计和精密机械，精确控制悬浮液的沉积，通过 逐层叠加的方式制备简单三维周期结构和含跨度(无支撑)或具有很大高宽比的复杂三维结 构。已广泛应用于先进陶瓷材料、传感器、仿生材料以及压电材料等。 直写成型技术根据最终成型方式分为激光直写技术、电子束直写技术、热流喷雾直写技 术、液态沉积直写技术等。其中激光微熔覆技术作为新兴的激光直写成型技术是电子元器件 常用的加工方式。 所谓激光微熔覆技术，是以固体或半固态的功能材料作为熔覆材料,采用连续或者脉冲 激光辐照,使熔覆材料内部、熔覆层与基材界面发生物理、化学作用,形成所需要的导线、功 能元器件或MEMS 微结构的工艺过程。激光微熔覆主要技术优势如下: (1) 能制备的元器件种类广泛:固态或半固态熔覆材料体系的选择范围几乎不受限制,不 但可用来制备电子元器件,亦可用于制备各种波导、光栅等光电子器件; (2) 可适合的基材范围广泛:与其它激光直写技术对基材的成分、特性要求很严不同,有 机基板、陶瓷、玻璃、单晶硅片都适合作激光微熔覆的基板; (3) 可非常方便地实现多种材料和多层材料的快速制造:激光加热与微细笔或微喷装置 相结合,可在同一基板上实现导线、电阻、电容等不同器件的制备,或实现多层布线和元器件 的制备; (4) 激光微熔覆设备性能可