2017年 12月 13日，国家工业和信息化部等十二部门发布《增材制造产业发展行动计划》中提到，要加快推进增材制造装备用光电子器件的开发和应用。打印电子技术是一种基于印刷原理的新兴电子增材制造技术，该技术克服了传统光刻工艺因大量腐蚀液带来的环境污染[1]、“减材”材料利用率低以及生产工序复杂繁琐导致生产效率低等一系列问题。增材制造作为一种绿色制造技术，近几年已成为电子行业的研究热点，主要应用于电子显示器[2—3]、场效应晶体管[4]、射频识别卡[5]、电子标签[6]、大型户外显示屏[7]、太阳能电池[8]、传感器[9]以及透明电极[10]等产品的制造。不同互连金属材料的打印机制不尽相同。Zheng等[11]提出轻敲式(tapping mode)电子打印概念，打印过程中利用打印头球珠与基底摩擦力相互作用而转动，使笔筒内的液态金属墨水流出，实现电子电路打印。1994年提出的直接书写式液态金属打印方法[12]，主要是基于扫描探针的纳米光刻技术，使用原子力显微镜尖端或尖端阵列将化学试剂直接输送到衬底表面的特定区域。此外，还有微接触式液态金属打印法[13]、掩膜沉积法[14]、雾化喷墨式液态金属打印法[15]等。

上述打印技术的出现，促进了打印电子新材料如纳米导电墨水的研究与开发，其中以纳米银和纳米铜研究最为广泛。纳米银导电性好，但价格昂贵。纳米铜导电性好、抗迁移能力强且成本低，但打印过程中存在一定的氧化问题。为了解决氧化问题，部分机构选择在导电墨水配比过程添加一些还原剂，导致电路中出现气泡、副产物和残留物，进而影响成形电路的性能。部分研究结构在打印成型后采用惰性氛围对电路进行烧结，使部分附属产物或残留物挥发，但这种方式制备时间长、效率低，并且制件大小受烧结管式炉限制。

为了更好地解决上述问题，文中基于打印电子技术思想，结合增材制造基本原理，利用易于实现功能的单片机作为设备控制中心，结合现代机械电子技术，将金属电路增材制造所需要的5个功能，即增材送料机构、原位加热、原位激光烧结、原位辐照还原、气体保护进行集成并协同控制，设计出互联电路的一体化增材制造系统，并制造样机。通过实测样机打印的成型电路性能，证明该制造系统的可行性和有效性。该制造系统对光电子器件等领域的增材制造具有一定意义。

1 系统功能和总体方案设计

互联电路一体化增材制造系统主要是利用具有一定流动性和黏度的金属导电墨水为原料，在惰性气体保护下，通过出料装置将金属导电墨水按照一定轨迹打印在制件表面，形成电子线路。文中设计的制造系统在金属，尤其是易氧化的金属打印制备过程中，将增材送料机构、原位加热、原位激光烧结、原位辐照还原、气体保护进行集成并协同控制，最终实现互联电路的原位一体化制造。该制造系统主要由PC端控制软件、Arduino硬件控制和增材制造机械系统三部分组成。PC端控制软件对设计好的互联电路 3D模型按照一定的厚度进行分层切片，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息并形成打印路径后输送指令，传输到Arduino硬件控制模块，该模块对PC传输过来的指令进行解析，然后将数据传输并驱动增材制造机械系统的各个运行机构。该系统工作时，首先驱动气体保护装置，排出工作区域的空气；其次开启原位加热装置，使制件整体具有一定的温度，干燥并低温辅助烧结成型电路；然后，驱动xy机械轴运动平台和原位烧结装置，实现单层成型电路制备。一层制备完后，打印工作平台下降一个层厚，进行下一个单层制造过程，直至完成整个成型电路的叠层制造。该一体化制造系统的工作流程见图1。

  

图1 增材制造系统总体方案Fig.1 Overall scheme of additive manufacturing system

2 增材制造系统的硬件设计

该一体化制造系统在制件表面进行成型电路制备过程中，可以根据不同的打印材料选用一体化装置中的全部或部分模块单元进行打印。增材制造结构的简化示意见图2。该装置的主要工作原理是：将制件置入样品气体保护台中央的原位加热板上，保护气体从样品台两侧同时通入，对打印工作区形成气体保护。送料机构在制件表面按照预先设定的互联电路轨迹进行打印制作，为了进一步降低互联电路的氧化，在送料机构喷嘴周围进行气体二次保护。互联电路制备过程中，同时辅以原位加热辐照光源和还原光源，对可能产生的氧化进一步还原。利用激光对单层打印材料进行烧结，能迅速使金属熔化而粘结在一起，同时不损伤基底。

增材制造系统软件设计主要技术难点在于实现一体化自动控制。依据图2互联电路一体化增材制造原理以及图3系统的硬件工作流程，给出增材制造系统软件设计流程，如图4所示。互联电路一体化增材制造过程的软件控制主要包括以下几个步骤：① 对程序进行初始化，开启电源，增材制造系统内部程序进行初始化，包括一些断电保存的参数和设置，以及硬件驱动的初始化等；② 发送起始信号，初始化完毕后，打印机会向电脑发出起始信号，通知上位机软件开始工作；③ Arduino循环扫描串口数据处理，接收电脑发给打印机的信息，当收到结束标志（即结束符号）时，打印机会将之前接收到的所有信息作为一个指令句进行分析，确认该指令为哪一种指令后，再通过相应指令的指定方式进行解析。

指令包括以下4部分：① 运动控制指令，确认接收到的指令为该指令后，Arduino会分析指令句中的所有内容，解析出运动所需的x坐标、y坐标、z坐标、e坐标、f移动速度以及其他相关参数，并转换成可供底层硬件驱动的代码，再进行硬件的驱动，然后回到上述技术路线中步骤3；② 原位加热控制指令，确认指令为温度控制指令后，Arduino分析出与原位加热相关的指令，并解析成加热装置的硬件驱动参数，实时监测当前状况并进行原位加热，然后回到上述技术路线中步骤3；③ 原位烧结控制指令，确认该指令后，Arduino会分析出与原位烧结相关的指令，并解析成与硬件控制相关的驱动参数，调节烧结设备（激光器），然后回到上述技术路线中步骤3；④ 保护气控制指令，确认该指令后，Arduino会分析出与保护气控制有关的指令，解析成硬件控制相关驱动参数，实时控制保护气的控制装置，然后回到上述技术路线中步骤3。

为了满足上述互联电路增材制造结构和功能。基于Arduino主控开发板，设计增材制造系统硬件技术路线见图 3。接通电源，Arduino主控开发板通过热电偶检测底板温度是否达到，如果未达到，继续加热，直到加热到预定温度；气体保护通过Arduino内部定时器进行定时，检测保护气体是否达到预定充气时间（充气时间由工作区充满保护气体的容量与流速时间比值来计算），如未达到，保护气体阀门接通，继续通气，直到达到预定的时间；当温度达到预定值，并且保护气体达到预定的充气时间时，Arduino主控开发板发送指令，开始工作打印。接受打印指令后，开始进行打印，即原位还原模块（还原光源）开始工作（如紫外还原灯开启）；同时原位辅助加热模块开始工作（红外光源开启），原位激光烧结模块（激光头）开始工作（激光开启），并且实时通过相应模块检测制件表面温度、光斑大小、发散角等参数，反馈到Arduino主控开发板上，进行相应调节；当接收到打印完成操作指令后，关闭激光烧结、原位还原和原位加热，关闭加热底板，关闭保护气体，完成本次打印。

  

图2 增材制造系统简化原理Fig.2 Schematic diagram of additive manufacturing system

  

图3 增材制造系统硬件工作流程Fig.3 Work flow diagram of hardware for additive manufacturing system

3 增材制造系统的软件设计

南宋时期，东西部文化差异及差距客观存在，而陆游以东部吴越文化的视角考量西部，将一些差异也变成差距，无疑加深了其差距的尺度，增加了地理学的人文情感因素。

2)室内地图和导航。为了应对大型建筑的快速发展，人们对室内位置服务的需求不断增加，医院、大型商场、仓库、地下停车场等都需要使用准确的室内定位信息，特别是在应对紧急救援、救灾应急等特殊应用场景下，室内定位信息更是显得尤为重要。

  

图4 增材制造系统软件设计流程Fig.4 Work flow diagram of software for additive manufacturing system

  

图5 互联电路增材制造过程Fig.5 Additive manufacturing process of interconnect circuits

4 增材制造系统的测试及结论

搭建好一体化增材制造设备并完成该控制系统的软硬件开发后，以自制纳米铜导电墨水和市售纳米银浆为例进行基本测试。根据导电墨水固相含量的不同，选取不同的送料速度。实验中采用的纳米铜导电墨水固相含量为40%，送料速度控制在0.8 mm/s，热床温度控制在50 ℃，打印速度为10 mm/s，空行程选用20 mm/s，层高设定在0.2 mm。惰性气体流速控制在60 mL/min，原位辐照还原光源采用波长为365 nm的紫外灯，原位烧结激光采用自带制冷和精确控温系统的激光器作为光源，调整激光光斑直径至合适大小。一层制备完毕后，z轴下降一个层厚，继续打印，继续烧结还原，直至达到所需要的高度。纳米银浆增材制造过程相同，但打印速度略低。纳米铜导电墨水/纳米银浆打印过程见图5，打印获得的互联电路实物见图6。互连电路的最小线宽约为1 mm，线宽均匀性好，无桥连；直角位置垂直度较好且没有发生变形；所得电路结构致密，未出现空洞等缺陷。采用自制的纳米铜导电墨水制备纳米铜互连电路，测得未经管式炉烧结的打印态电路电阻率小于200 μΩ·cm，导电性良好，表面带有金属光泽。采用市售的纳米银浆料打印纳米银互连电路，测得未经管式炉烧结的打印态电路在膜厚小于30 μm时，方块电阻小于5 mΩ/cm。

  

图6 纳米银增材制造互联电路实物Fig.6 A typical image of nano-Ag interconnects

5 结论

基于Arduino开发出互联电路的一体化增材制造系统，完成了互联电路增材制造的总体方案设计，并结合简化原理示意图阐述其制造过程，对该系统软、硬件模块的开发进行了分析，并形成相应的技术路线框图。最后，通过在样机上进行纳米金属互联电路的成型制作，进一步验证了该系统的可行性。该一体化制造增材制造系统，能实现复杂的互联电路制备，且电路不需要受管式炉烧结工艺的限制，提高了制件选择范围的灵活性。实验中，对于极易氧化的纳米铜材料，未经管式炉烧结的打印态电路电阻率小于200 μΩ·cm。这说明将原位加热、原位烧结、原位还原和保护气体一体化集成设计，能从根本上解决互联电路制作过程中的氧化问题。同时，由于采用集成一体化制备，还大大提高了效率。所得电路结构致密，未出现空洞等缺陷，说明这种一体化的装置系统解决了因添加还原剂所带来的气泡、副产物和残留物等问题，提高了电路致密性和一致性，可以获得性能优良的电路。

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