基于熔融沉积成型3D打印工艺的混合增材制造技术基础研究

作     者：汪杨 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李霁

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：3D打印 增材制造 FDM 化学镀 立体电路 三维天线 

摘      要：混合增材制造是一种基于3D打印快速制造功能产品的技术,该技术利用了3D打印快速制造复杂三维结构的优点,制造电子产品的基本结构,同时将电子线路和元器件嵌入,成功克服传统3D打印工艺无法制造功能性产品的问题,在3D打印研究领域具有重大的创新意义。本文提出了一种基于熔融沉积成型(FDM)3D打印的新型混合增材制造技术,它结合双材料FDM 3D打印和选择性化学镀,实现了结构电子器件的制造。本文主要完成了以下工作:一、基于单材料FDM 3D打印机升级搭建了一台可以同步打印双材料样件的3D打印机,并介绍了相关打印材料的基本特性和分析了升级的双材料打印机的打印精度。二、提出了一种新型选择性化学镀工艺,通过大量试验得出了化学镀溶液最佳配方和最佳实验参数,该工艺实现了ABS与PETG、PC、PLA之一所组成的双材料样品的选择性镀镍和镀铜,并且得到了高质量的金属镀层。三、对于选择性化学镀工艺机理和效果进行了系统性研究,对其中的关键步骤(粗化)处理前后的样件进行扫描电镜实验(SEM)和傅里叶红外光谱(FTIR)测试,验证了粗化会腐蚀ABS,但对于PETG、PC、PLA的表面几乎不腐蚀;对于重要步骤(敏化-解胶)处理的样件进行FTIR测试和X射线光电子能谱(XPS)分析,得出了双材料的最佳组合为ABS/PETG。对于选择性化学镀的最后一步-施镀之后ABS表面附着的镍层和铜层的质量进行了详细的分析与测试。分别通过SEM图、百格测试、X射线能谱(EDS)、库仑法分析了镀镍层的微观形貌和镍、铜层的附着力、成分及厚度;另外分析了镀镍液温度、p H值、时间对于镀镍层导电性的影响,得出了在温度50℃,p H=8.5,施镀时间120min,可以得到电阻率为84μΩ·cm的Ni-P合金;并且分析了镀铜液施镀时间对铜层导电性的影响,得出了随施镀时间铜层电阻率变化很小,在3μΩ·cm附近波动。四、为了验证所提出的基于FDM 3D打印的混合增材制造技术的可靠性和实用性,分别设计并制造了2D平面、2D双面和3D立体的LED闪烁电路,以验证其在直流电路的应用。同时,设计并制造了传统工艺难以制造的单臂球形及四臂的圆柱立体螺旋天线,验证其在高频电子线路领域的应用,所测试的天线性能基本符合预期效果。