一种增材制造装置和制造方法与流程

本发明涉及一种内嵌入电路增材制造领域，尤其是一种增材制造装置和制造方法。

背景技术：

随着电子设备集程度的提高，设备体积也越来越小，这时电子组件对于整个设备就显得过大，因此需要减小自身尺寸。通过在注塑成型的曲面塑料壳体上制作电气以及传感功能的导线、图形来制造和安装元器件，从而将普通的电路板具有的电气互连功能、支撑元器件功能和塑料壳体的支撑、防护等功能结合，并且将机械实体和导电图形相结合而产生的屏蔽、天线、传感等功能集成于一体。

目前有多种方式可以实现该结构的制造，但都存在其局限性和不足。目前主流的制作工艺为lds(laserdirectstructure，激光直接成型)工艺。lds的工艺流程是对一种含有金属组织的合成物塑料颗粒采用注塑的方式制作成塑料壳体。由于该合成物的金属成份能够通过激光进行激活，所以可通过专用激光设备在壳体表面按照规定的路径进行激光扫描，被激活的金属部分作为种子层，可通过电镀或者化学镀的方式在壳体表面沉积金属，形成所需要的电路图形。

在现有技术中，还公开了一种内嵌入立体电路增材制造装置与形成方法，提出了一种对壳体材料没有限制，可根据产品需求在壳体表面或内部完成金属互连层的制作，不需要进行化学镀(电镀)等工艺，整个制造工艺可全部完成的一种装置。解决了金属导电层只能制作在壳体表面，容易破损和氧化的问题，同时解决了工艺复杂以及塑料基材受限等问题。

目前由于各种天线和传感器的精密度越来越高，电路线宽越来越精细至微米级，很多已在5um以下。尤其随着增材制造产品附加值的升高，良品率显的尤为重要，内嵌金属电路制作完成后，要对其电路检查和修补以提升良率，中途取下做线下修补再装回载台的方式，极易引起对位误差以及产生应力，让后续加工精度和良率无法保证。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种增材制造装置和制造方法,以解决现有修补过程需要移动基材进行线下修补而耗时、误差大且加工精度差的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种增材制造装置，包括：工件台模块；壳体增材模块，配置为在所述工件台模块上形成壳体；金属布线模块，配置为在所述壳体上设置金属布线；布线修复模块，配置为检测布线缺陷并修补该缺陷；其中，所述壳体增材模块还配置为修补所述缺陷后在所述壳体上形成壳盖。

进一步地，所述壳体增材模块包括供料系统和增材加工模块，所述增材加工模块配置为在所述工件台模块上加工所述供料系统提供的物料以形成壳体。

进一步地，所述供料系统配置为提供塑料粉，所述增材加工模块包括激光烧结单元和铺粉装置。

进一步地，所述壳体增材模块还包括用于回收激光烧结后多余塑料粉的回收系统。

进一步地，所述供料系统配置为提供塑料丝，所述增材加工模块包括塑料丝打印头。

进一步地，所述金属布线模块包括金属浆料承载腔、连杆机构和金属沉积喷头，所述金属浆料承载腔通过所述连杆机构和金属沉积喷头连接。

进一步地，所述金属布线模块还包括过滤系统，所述过滤系统连接在所述连杆机构上。

进一步地，所述金属布线模块还包括加热模块，所述加热模块配置为固化金属布线。

进一步地，所述布线修复模块包括图像传感器、激光单元和化学气相沉积单元，所述图像传感器检测所述金属布线模块的金属布线缺陷，所述激光单元和所述化学气相沉积单元根据所述图像传感器检测情况修复所述缺陷。

进一步地，所述图像传感器固定在所述激光单元上并随所述激光单元的激光头同步运动，或者所述图像传感器固定在所述金属布线模块上并随所述金属布线模块同步运动。

进一步地，所述激光单元包括第二振镜、第二激光源和激光头，所述第二激光源与所述激光头连接。

进一步地，所述化学气相沉积单元包括储气单元、连接管路、气体喷嘴和用于排放修复过程中产生的废气的气体抽排装置，所述储气单元通过所述连接管路和气体喷嘴连接，以提供反应气体。

进一步地，所述化学气相沉积单元还包括惰性气体单元和保护罩，所述惰性气体单元提供的惰性气体通过所述保护罩出射，所述保护罩设置在所述气体喷嘴外圈。

进一步地，所述保护罩上设置有气体流量调节装置，以调节所述保护罩流通的气体流量。

本发明还提供了一种增材制造方法，包括：

步骤1：通过壳体增材模块在工件台模块上构建壳体；

步骤2：通过金属布线模块在壳体上设置金属布线；

步骤3：通过布线修复模块对布线进行检测并修复缺陷；

步骤4：通过壳体增材模块在布线后壳体上增覆壳盖。

进一步地，所述步骤1具体包括：

步骤1.1：提供一目标加工模型；

步骤1.2：将所述壳体增材模块根据所述目标加工模型加工获得所述壳体。

进一步地，通过供料系统提供物料，通过增材加工模块加工所述物料以获得所述壳体。

进一步地，通过所述供料系统提供塑料粉，通过铺粉装置在工件台模块上铺设所述塑料粉，通过激光烧结单元加工所述物料以获得所述壳体。

进一步地，通过所述铺粉装置将烧结产生的多余塑料粉回收至回收系统。

进一步地，通过所述供料系统提供塑料丝，通过塑料丝打印头加工所述物料以获得所述壳体。

进一步地，所述步骤2具体包括：

通过金属浆料承载腔提供金属浆料，并经过连杆机构传输至金属沉积喷头后在在壳体上设置金属布线。

进一步地，在所述连杆机构上设置过滤系统，以过滤从金属浆料承载腔提供至金属沉积喷头的金属浆料。

进一步地，在通过所述金属沉积喷头在所述壳体上沉积金属布线后，还通过加热模块固化所述金属布线。

进一步地，所述步骤3具体包括：

通过图像传感器检测所述金属布线模块的金属布线缺陷，通过激光单元和化学气相沉积单元根据所述图像传感器检测情况修复所述缺陷。

进一步地，通过图像传感器检测所述金属布线模块的金属布线缺陷的步骤包括：

设置一与所述金属布线模块同步运动的图像传感器；

在布线过程中，通过所述图像传感器记录并追踪所述金属布线模块的金属布线情况。

进一步地，通过激光单元和化学气相沉积单元根据所述图像传感器检测情况修复所述缺陷的步骤包括：

获取所述图像传感器记录的金属布线情况，并获得所述金属布线模块布线产生的布线缺陷；

根据所述布线缺陷控制激光单元和化学气相沉积单元分别运动，使得激光单元的激光照射所述化学气相沉积单元提供的反应气体以修复所述缺陷。

本发明提供了一种增材制造装置和制造方法,解决了现有线下修补方式耗时、误差大且加工精度差的问题，无需卸载工件台模块及基材就可对内嵌电路进行在线修补，节约设备购置成本和产线空间，且能减少制造时间和缩短制造链，提升了基材的后续加工精度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的增材制造装置的结构示意图；

图2a为本发明实施例一提供的气体喷头和保护罩处的主视图；

图2b为本发明实施例一提供的气体喷头和保护罩处的仰视图；

图3为本发明实施例一提供的增材制造方法的流程图；

图4为本发明实施例一提供的壳体增材模块制造的壳体的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的金属布线模块在壳体上制造金属布线的结构示意图；

图6为本发明实施例一提供的布线修复模块修复布线缺陷的原理图；

图7为本发明实施例一提供的壳体增材模块在壳体上形成壳盖的结构示意图；

图8为本发明实施例二提供的增材制造装置的主视图；

图9为本发明实施例二提供的增材制造方法的流程图。

图中，1：工件台模块，2：壳体增材模块，3：金属布线模块，4：布线修复模块，5:成型腔，101：壳体，102：金属布线，103：已修补缺陷，104：壳盖，21：供料系统，22：激光烧结单元，201：第一振镜，202：第一激光源，23：铺粉装置，24：回收系统，25：塑料丝打印头，26：运动机构，31：金属浆料承载腔，32：连杆机构，33：金属沉积喷头，34：过滤系统，41：图像传感器，42：激光单元，401：第二振镜，402:第二激光源，43：化学气相沉积单元，403：储气单元，404：连接管路，405：气体喷嘴，406：保护罩，407：气体抽排装置，51：激光保护镜。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

如图1所示，结合图4-7，本发明实施例提供了一种增材制造装置，包括：工件台模块1；壳体增材模块2，配置为在所述工件台模块1上形成壳体101；金属布线模块3，配置为在所述壳体101上设置金属布线102；布线修复模块4，配置为检测布线缺陷并修补该缺陷形成已修补缺陷103；其中，所述壳体增材模块2还配置为修补所述缺陷后在所述壳体上形成壳盖104，壳盖104可以作为壳体101的保护层，并具有稳固金属布线结构、防止金属布线氧化的效果。

进一步地，所述壳体增材模块2包括供料系统21和增材加工模块，所述增材加工模块配置为在所述工件台模块1上加工所述供料系统21提供的物料以形成壳体101。在本实施例中，所述供料系统21配置为提供塑料粉，所述增材加工模块包括激光烧结单元22和铺粉装置23，激光烧结单元22可以采用激光扫描振镜系统，具体包括第一振镜201和第一激光源202。

优选地，所述壳体增材模块2还包括用于回收激光烧结后多余塑料粉的回收系统24。在本实施例中，可以将供料系统21、工件台模块1和回收系统24均设置为能够在z方向上下移动，通过铺粉装置23在x方向完成铺粉和粉末回收。

在本实施例中，对塑料粉进行分层烧结，烧结路径和图形根据目标加工模型而定，每完成一层烧结后，工件台模块1向下移动，移动距离与烧结层厚度相当。工件台模块1在z向下移后，通过铺粉装置23从供料系统21中将塑料粉平铺到工件台模块1上。工件台模块1上多余的塑料粉将通过铺粉装置23转移到回收系统24上，回收系统24完成一层塑料粉回收后，将z向下移动，最后铺粉装置23回到起始位置。反复操作以形成所述的壳体101。

进一步地，所述金属布线模块3包括金属浆料承载腔31、连杆机构32、金属沉积喷头33和过滤系统34，所述金属浆料承载腔31通过所述连杆机构32和金属沉积喷头33连接，所述过滤系统34连接在所述连杆机构32上。优选地，连杆机构32可以在x、y和z三方向运动，金属沉积喷头33可以六自由度运动，所述金属布线模块3形成的金属线条宽度例如为5～150um。

具体地，所述金属布线模块3还包括加热模块(图中未标注)，所述加热模块配置为固化金属布线，加热模块例如可以设置在工件台模块1上，加热温度例如可以为100～200℃。

在本实施例中，所述布线修复模块4包括图像传感器41、激光单元42和化学气相沉积单元43，所述图像传感器41检测所述金属布线模块3的金属布线缺陷，图像传感器41例如可以安装在金属布线模块3中的连杆机构32上，并随着金属沉积喷头33一起运动，图像传感器41也可以固定在激光单元42的激光头(未图示)上，并随激光头一起运动，所述激光单元42和所述化学气相沉积单元43根据所述图像传感器41检测情况修复所述缺陷。

请继续参考图1，化学气相沉积单元43包括储气单元403、连接管路404、气体喷嘴405和气体抽排装置407，储气单元403通过连接管路404和气体喷嘴405连接，以提供反应气体。优选地，激光单元42的激光头可以六自由度运动，连接管路404可以在x、y和z三方向运动，气体喷嘴405可以六自由度运动。

为了在修复过程中提供保护，所述化学气相沉积单元43还包括惰性气体单元，所述惰性气体单元提供的惰性气体通过所述保护罩出射，所述保护罩设置在所述气体喷嘴外圈，以使得惰性气体能够包围反应气体，形成相对隔绝的反应环境，避免反应过程受到干扰。在本实施例中，所述保护罩上设置有气体流量调节装置(未图示)，以调节所述保护罩流通的气体流量，气体喷嘴405连同保护罩406也可以六自由度运动。如图2a和图2b所示，保护罩可以控制半圆部分的孔开通而另半圆部分关闭，开通的孔喷出氮气或其它惰性气体，用以隔离反应气体在反应区而不跑到外部区域。在激光照射的同时，通入金属反应气体，进行化学气相沉积，修补断线电路缺陷，修补过程产生的废气由气体抽排装置407抽排。

在本实施例中，增材制造装置还包括用于实现增材制造的成型腔5，可以将成型腔5的内部设置为真空，以保护金属布线过程中的不同金属材料。优选地，成型腔5包括激光保护镜51。在本实施例中，可以将激光烧结单元22和激光单元42均设置为激光扫描振镜系统，激光单元42包括第二振镜401、第二激光源402和激光头(未图示)，可以仅采用一套激光扫描振镜系统实现激光烧结单元22和激光单元42的功能，也可以采用两套激光扫描振镜系统分别实现激光烧结单元22和激光单元42的功能。

本发明实施例还提供了一种增材制造方法，包括：

步骤1：通过壳体增材模块2在工件台模块1上构建壳体101；

步骤2：通过金属布线模块3在壳体101上设置金属布线102；

步骤3：通过布线修复模块4对布线进行检测并修复缺陷；

步骤4：通过壳体增材模块2在布线后壳体上增覆壳盖104。

进一步地，所述步骤1具体包括：

步骤1.1：提供一目标加工模型；

步骤1.2：将所述壳体增材模块2根据所述目标加工模型加工获得所述壳体101。

进一步地，通过供料系统21提供物料，通过增材加工模块加工所述物料以获得所述壳体。在本实施例中，通过所述供料系统21提供塑料粉，通过铺粉装置23在工件台模块上铺设所述塑料粉，通过激光烧结单元22加工所述物料以获得所述壳体。

优选地，通过所述铺粉装置23将烧结产生的多余塑料粉回收至回收系统24。在本实施例中，可以将供料系统21、工件台模块1和回收系统24均设置为能够在z方向上下移动，通过铺粉装置23完成铺粉和粉末回收。

进一步地，所述步骤2具体包括：

通过金属浆料承载腔31提供金属浆料，并经过连杆机构32传输至金属沉积喷头33后在在壳体上设置金属布线102，在所述连杆机构32上设置过滤系统34，以过滤从金属浆料承载腔提供至金属沉积喷头的金属浆料。

具体地，在通过所述金属沉积喷头33在所述壳体101上沉积金属布线102后，还通过加热模块固化所述金属布线。

进一步地，所述步骤3具体包括：

通过图像传感器41检测所述金属布线模块3的金属布线缺陷，通过激光单元42和化学气相沉积单元43根据所述图像传感器41检测情况修复所述缺陷。

进一步地，通过图像传感器41检测所述金属布线模块3的金属布线缺陷的步骤包括：

设置一与所述金属布线模块同步运动的图像传感器；

在布线过程中，通过所述图像传感器41记录并追踪所述金属布线模块3的金属布线情况。

进一步地，通过激光单元和化学气相沉积单元根据所述图像传感器41检测情况修复所述缺陷的步骤包括：

获取所述图像传感器41记录的金属布线情况，并获得所述金属布线模块3布线产生的布线缺陷；

根据所述布线缺陷控制激光单元和化学气相沉积单元43分别运动，使得激光单元的激光照射所述化学气相沉积单元提供的反应气体以修复所述缺陷。

请继续参考图1，化学气相沉积单元43包括储气单元403、连接管路404、气体喷嘴405和气体抽排装置407，储气单元403通过连接管路404和气体喷嘴405连接。为了在修复过程中提供保护，所述化学气相沉积单元43还包括惰性气体单元，惰性气体单元通过保护罩406控制喷射，修补过程中，激光单元42的激光头(未图示)可以六自由度运动，气体喷嘴405连同保护罩406也可以六自由度运动。如图2a和图2b所示，保护罩可以控制半圆部分的孔开通而另半圆部分关闭，开通的孔喷出氮气或其它惰性气体，用以隔离反应气体在反应区而不跑到外部区域。在激光照射的同时，通入金属反应气体，进行化学气相沉积，修补断线电路缺陷，修补过程产生的废气由气体抽排装置407抽排。

在本实施例中，增材制造装置还包括用于实现增材制造的成型腔5，可以将成型腔5的内部设置为真空，以保护金属布线过程中的不同金属材料。优选地，成型腔5包括激光保护镜51。

请参考图3，本实施例提供的增材加工的具体实施方法包括:

一、采用三维立体模型分层切片的stl格式文件作为目标加工模型；

二、铺粉装置23根据分层厚度从供料系统21中将塑料粉平铺到工件台模块1上；

三、激光烧结单元22烧结工件台模块1上的塑料粉；

四、通过重复步骤二和步骤三，形成基础塑料壳体101；

五、根据stl格式文件的分层，采用金属布线模块3在壳体101对应的位置上沉积金属线条102，并加热固化；

六、根据金属沉积布线时图像传感器41记录和追踪到的电路缺陷，采用激光照射反应气体进行化学气相沉积进行修补，沉积金属断线缺陷；

七、根据stl格式文件的分层，采用铺粉装置23根据分层厚度从供料系统21中将塑料粉平铺到工件台模块1上；

八、激光烧结单元22烧结工件台模块1上的塑料粉；

九、重复步骤七和步骤八形成用于作为塑料壳体覆盖层的壳盖104。

实施例二

请参考图8，与实施例一不同，实施例二中的供料系统21配置为提供塑料丝，所述增材加工模块包括塑料丝打印头。进一步地，通过所述供料系统21提供塑料丝，增材制造装置还包括运动机构26，通过运动机构26带动塑料丝打印头25运动以加工所述物料以获得所述壳体，运动机构26能够带动塑料丝打印头25在x、y、z向运动，塑料丝打印头25能够进行六自由度运动，运动机构26带动所述金属沉积喷头33运动以实现金属布线，例如六自由度运动。

请参考图9，本实施例提供的增材加工的具体实施方法包括:

一、采用三维立体模型分层切片的stl格式文件作为目标加工模型；

二、根据stl格式文件的分层，通过运动机构26控制塑料丝打印头25实现六自由度运动，增材制造塑料壳体；

三、通过重复步骤二，形成制造基础塑料壳体101；

四、根据stl格式文件的分层，通过运动机构26控制金属沉积喷头33实现六自由度运动，在对应的位置上沉积金属线条102，并通过加热固化；

五、根据金属沉积时图像传感器记录和追踪到的电路缺陷，采用激光照射反应气体进行化学气相沉积进行修补，沉积金属断线缺陷103；

六、根据stl格式文件的分层，通过运动机构26控制塑料丝打印头25实现六自由度运动，形成用于作为塑料壳体覆盖层的壳盖104。

图8中示意了激光烧结单元22，未示意激光单元42，本领域技术人员在实施例一基础上可以直接毫无疑义获知本实施例二中其他内容，故在此不再赘述。

本发明实施例提供了一种增材制造装置和制造方法,解决了现有线下修补方式耗时、误差大且加工精度差的问题，无需卸载工件台模块及基材就可对内嵌电路进行在线修补，节约设备购置成本和产线空间，且能减少制造时间和缩短制造链，提升了基材的后续加工精度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。