【摘 要】
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混合增材制造技术是增材制造（3D打印）领域的发展前沿,该技术将增材制造工艺与其他先进制造工艺相结合,实现全功能产品的一体化直接制造,改变了传统增材制造工艺仅能实现复杂三维零部件加工的局限。本课题组提出了一种基于熔融沉积成型（FDM）3D打印工艺的混合增材制造技术,该技术将双材料FDM 3D打印工艺与选择性化学镀工艺相结合,制造聚合物-金属复合材料结构,实现三维电子电路产品。在推动该技术实际应用过程
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混合增材制造技术是增材制造（3D打印）领域的发展前沿,该技术将增材制造工艺与其他先进制造工艺相结合,实现全功能产品的一体化直接制造,改变了传统增材制造工艺仅能实现复杂三维零部件加工的局限。本课题组提出了一种基于熔融沉积成型（FDM）3D打印工艺的混合增材制造技术,该技术将双材料FDM 3D打印工艺与选择性化学镀工艺相结合,制造聚合物-金属复合材料结构,实现三维电子电路产品。在推动该技术实际应用过程中,我们发现聚合物-金属复合材料结构的机械强度很大程度决定了该技术的应用领域,而目前对FDM 3D打印机械强度的研究多数集中于单一材料,对于聚合物-金属复合材料强度的研究极少,因此本文对聚合物-金属复合材料结构的机械强度进行了系统性研究,推动了混合增材制造技术在三维电子电路制造领域的实际应用。本研究主要完成以下工作:1.聚合物-金属复合材料结构中聚合物-聚合物间机械强度。经过制样测试,得到了ABS与PLA、PETG、PC三组双材料在水平和垂直两个方向打印的机械强度,并结合微观表征,对比分析了不同材料、不同打印方向（水平/垂直）机械强度测试结果,发现聚合物-聚合物间机械强度具有各向异性的特点,不仅是水平/垂直方向打印的机械强度存在差异,垂直方向材料打印顺序的不同也会对最终强度造成影响,测试发现ABS与PETG双材料打印具有最佳的粘结强度。此外,我们还发现混合增材制造中的化学镀工艺对聚合物-聚合物间机械强度几乎没有影响,从而证明我们采用的混合增材制造工艺具有较好的材料兼容性。2.聚合物-金属复合材料结构中聚合物-金属间机械强度。基于ABS与PETG组合材料,测试了金属镀层-基底打印材料之间、金属镀层-上层打印材料之间的机械强度,测试发现两种界面的机械强度存在较大差异。结合SEM表征发现,基底材料由于经过了粗化处理在表面形成了大量微孔,金属镀层“根状物”扎入基底打印材料从而形成了“互锁”结构,因此机械强度较高。然而金属镀层-上层打印材料,仅为熔融FDM塑料冷却固化后与金属表面的粘结,因此粘结强度不到金属镀层-基底打印材料10%。3.提出了聚合物-金属复合材料结构在机械强度方面的重要考量。（1）对于基体材料选择方面,由于PETG与ABS双材料打印具有最佳的粘结强度,所以优先选择这两种材料作为基体材料;（2）金属镀层与上层打印材料间粘结强度最低,影响整体结构强度,所以应优化电路图形设计,降低电路区域的面积比例,保证整体结构强度。4.设计、制造并测试了应变自感知智能结构件、温度自感知智能水管等应用样件。应变自感知智能结构件的灵敏度系数为1.99,达到了商用金属箔应变片的标准,智能水管的电阻温度系数为0.0035,足以满足测温需要,以上两种应用样件充分证明本课题组提出的混合增材技术在三维电子电路研发中的实用性。
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