基于激光选择性化学镀的混合3D打印制造技术研究文献综述

 2023-08-07 15:33:58
  1. 文献综述(或调研报告):

增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,也被称为3D打印,是一种依据三维CAD数据通过逐层材料累加的方法制造实体零件的技术。它可以实现传统的材料去除(切削加工)技术所无法实现的复杂三维几何结构。

近年来,增材制造技术取得了长足的发展,实现了加工工艺和原材料的多样化和体系化。常见的增材制造工艺包括:形态沉积制造(Shape Deposition Modeling, SDM),选择性激光熔化成型(Selective Laser Melting, SLM),选择性激光烧结成型(Selective Laser Sintering, SLS),熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM),光固化成型(Stereolithography Apparatus, SLA),粉末层喷头3D打印(Powder bed and inkjet head 3D printing, PP),超声波固结(Ultrasonic Consolidation, UC)等等。每一种工艺都是一层一层地制造零件,并在成本、特征细节和材料方面提供不同的选择。传统的制造方法在大批量生产相同的零件时得到了很好的优化,但可能涉及复杂的装配步骤,导致材料浪费,并为小批量生产带来巨大的成本。与之相比,3D打印允许创建复杂的几何形状,可以大规模定制,因为不需要模具,设计理念通过直接数字化制造转化为产品。此外,附加的分层方法允许将多个组件合并到单个组件中,从而消除了后续组装操作的需求。3D打印原材料可包含金属,热塑性塑料,光固化树脂,石膏,陶瓷,可食用材料等, 并被广泛应用于消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等诸多领域。

随着过去三十年技术的发展,空间分辨率和可用材料的多样性都得到了提高。这些进步已经导致消费者、航空航天和生物医学设备的终端产品的增加,因为工业界已经认识到3D打印在改进设计、通过部件合并减少装配要求和通过使用点制造优化制造供应链方面可以提供的潜在机会。通用电气公司首席执行官杰夫·伊梅尔特最近表示,到2020年,公司计划生产超过10万个3D打印的喷气发动机零部件,为了实现这些目标,通用电气公司计划在3D打印上投资35亿美元[1]。

然而,3D打印通常仍然局限于单一材料的制造,这可能会限制所制造结构的终端功能。下一代3D打印不仅需要整合不同的材料,还需要嵌入活动部件,以实现以前不可能实现的功能。例如可以包括具有集成微流控热管理的任意形状的电子设备和定制的适合特定病人解剖的智能假肢。因此多功能增材制造技术的概念被提出,旨在集成多种制造技术,使用不同类型的材料,并在增材制造的过程中增加电子元器件嵌入和电路连接等步骤,加工具有多种功能的三维结构,其重要意义在于将过去单一功能单一材料的增材成型转变为高附加值全功能产品的智能化增材制造。

大多数(但不是所有)多功能结构的制造需要使用多种集成技术进行处理,包括将3D打印与其他互补过程相结合,以提供或改进材料、几何形状和功能的空间控制。这些附加的制造功能可以嵌入组件、电线、电池、天线和其他子组件。电和热互连的引入允许子系统之间的通信或结构内的能量或热量的传递。导电油墨和浆料已经与2D打印结合使用,因为它具有直接书写的制造灵活性(例如,一致打印且不需要工具的能力),用微点胶、喷墨和气溶胶喷射对这种组合进行了十多年的研究。

哈佛大学刘易斯团队 (Lewis group)的初创公司Voxel8宣布,将推出首款低成本商用3D打印机,与气动油墨分配器相结合,用于在3D打印结构中创建导电互连。该油墨是在室温下打印和固化的,提供了可观的制造效益和灵活性[3]。这种自支撑式墨水可以连接结构内部的空腔,并通过一个250微米的喷嘴进行分配,这大大满足了大多数传统电子元件所需的空间精度。当印刷痕迹延伸到芯片的引脚时,就形成了不需要高温焊接的电气连接。

德克萨斯大学埃尔帕索分校的W·M·Keck 3 d创新中心生产的具有互连功能的3D设备在成本和性能方面具有可与传统电子产品直接竞争,这是通过在3D打印使用的热塑性塑料结构中嵌入线和箔实现的。在打印中断期间,金属丝被选择性加热,并与热塑性塑料结构的顶部表面原位齐平。由于埋入的导线直径范围很广,从80微米或更小到几乎任何更大的尺寸,几何复杂结构的制作可以包含小型复杂的路由模式或大型大功率电路。一旦导线被集成,基板保持平面状态,后续的3D打印可以继续不受抑制[4]。

这两种方法都显示了巨大的可能性,但都还没有完全准备好进行日常生产。印刷电子产品,无论是功能板还是原型制作和概念证明,都需要高导电性。纳米墨水打印出来的图案通常具有很高的电阻率,需要在高温下进行烧结(100-200℃下30-60分钟)去除一些不导电的有机成分和/或稳定剂,以提高接近本体性质的导电性,但这可能会对结构造成热损伤[5]。此外,由于其流动性,一般不适用于柔性或倾斜结构。也可以基于单一材料,如铜丝或导电丝,但这一过程很难实现自动化,并且通常认为导电率较低[6]。除上述两种方法外,目前还有基于沉积的研究。在用于3D打印的聚合物中,有些聚合物可以通过化学镀很容易地进行金属化和渗透导电性。也可以采用物理气相沉积等金属化工艺,但由于成本较低,通常首选基于湿化学的金属化。由于这种方法完全是基于纯金属的,所以沉积结构可能具有高导电性。然而,由于非选择性沉积层[6,7],在产生特定图案方面存在限制。

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