文献综述(或调研报告)
增材制造(Additive Manufacturing,AM)俗称3D打印,融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造技术。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。其基本原理下图所示
随着3D打印技术日益成熟,人们开始重新思考传统的天线的设计和制造方法。如下图所示,几个小组使用多进程3D打印技术嵌入导体,如导线、网格和金属箔,以提供对电介质和导电结构的完全空间控制。这种具有复杂网络拓扑结构(由相互交织的介电元件和导体组成)的绕线路图制作结构的能力,使得新型3D打印天线成为可能,这种天线可以提供多个频带或保持较小的物理覆盖面积,同时有可能优于传统天线。这些工艺中使用的介电材料通常具有合理的射频(RF)性能,具有低损耗正切,在某些情况下,可通过加入高介电常数添加剂来定制。此外,这些天线可无缝集成在总体机械结构中以节省体积,并且由于是复合结构,它们提供了提高设备机械强度的意外好处,展示了真正的多功能性。三维打印对天线设计有着深远影响的一个方面是,能够在空间上改变具有有意孔隙率的结构的密度,从而在功能上对介电常数和磁导率进行分级。这些梯度能够实现通过材料界面的电磁转换,以最小化反射或允许对射频波进行雕刻。
熔融沉积模型(FDM)3D打印利用高温将材料融化成液态,通过打印头挤出后固化,最后在立体空间上排列形成立体实物。该工艺用不同等级的环保热塑性材料制造原型和/或功能部件。原材料以细丝的形式用于熔化,并一层一层地沉积以制造零件。该工艺能够以令人钦佩的精度和强度制造零件,从而使FDM成为广泛使用的技术之一。在FDM机器中,挤压头由两个独立的液化器喷嘴组成,每个喷嘴用于模型和支撑材料沉积。该液化器喷嘴的运动由计算机相对于构建平台(工作台)进行控制,因此允许制造具有适当尺寸精度的几何复杂模型。这些部件是通过在无夹具的工作台上通过液化器喷嘴挤压和沉积熔融细丝而制成的,其形式为快速固化并粘附到相邻层上的精密层。相邻层之间的结合由于热驱动扩散结合而发生。沉积一层后,工作台向下(Z方向)移动的距离等于层厚,下一层沉积。如今,FDM工艺不仅用于产品可视化或原型制造,还用于最终零件生产(功能零件),因为其操作简单、可靠,且最终零件在精度和强度方面经久耐用。然而,在许多情况下,FDM制造的零件在强度、精度和光洁度方面存在缺陷,并且表现出各向异性。为了改善构建样品的表面质量,需要用冷的丙酮蒸汽进行处理,使样品表面均匀地暴露在丙酮蒸汽中,然而,这种处理预计也会影响零件的机械性能。因此,还需要选择最佳的零件沉积方向,以构建具有良好表面光洁度的零件,并减少材料消耗和构建时间,而不丧失样品的机械强度。
化学镀工艺(ELP)通过适当的表面处理和催化剂吸附在3D打印塑料基板上沉积纯金属或金属合金以创建具有高导电性、高强度和高可靠性的功能层。
结合了双材料熔融沉积模型(FDM)3D打印和选择性化学镀优点的混合增材制造方法依赖于双材料FDM三维打印结构的选择性敏化/活化和金属化。下图说明了该种混合增材制造技术的过程链,根据计算机辅助设计(CAD)数字模型,采用FDM双材料3D打印机制造由可镀和不可镀塑料组成的3D结构。经过适当的表面蚀刻,敏化/活化和加速步骤后,只有可镀塑料才能在其表面上保留化学镀催化剂。因此,金属膜选择性地沉积在可镀塑料的表面上,而使不可镀塑料表面裸露。这提供了一种方便的解决方案,可以自由地对电路进行构图。安装电子元件后,可以制造全功能的定制电子产品。
研究表明,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚对苯二甲酸乙二醇酯改性材料(PETG)的组合具有最佳的金属化选择性和膜结合强度。金属沉积速率主要取决于电镀温度(金属膜厚度随着温度的升高以指数方式增加,这表明金属沉积速率显著取决于温度),镀膜组成主要取决于pH值。而随着温度的升高,电阻率急剧下降;在一定范围内,PH值增加时,化学镀膜的电阻率显著降低,导致最终电阻急剧下降。此外,在电镀开始时的金属膜太薄,无法克服ABS基体的粗糙度和形成完整的导电膜。这给导电路径带来了障碍,从而增大了电阻率。随着金属覆盖层的发展,电阻率下降,然后变为恒定。相应地,电阻在一定时间内显著下降,然后随金属膜的增厚而线性下降。因此,在预设化学镀温度和pH值的情况下,可以根据实际应用的需要通过化学镀时间来定制导体的电阻。
